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美国能源部下属国家研究机构劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们最近的一项研究表明3D打印金属的性能 可以在制造过程中进行 精确调整。
研究团队通过改变打印高熵合金时的激光扫描速度揭示了 冷却速率如 何影响金属凝固过程中的原子结构。
研究结果表明无需进行后处理或合金重新设计即可通过工艺参数直接调整材料性能。
研究结果直接解决了金属3D打印材料性能不确定造成的主要应用障碍有助于这项技术获得更广泛的应用。
金属增材制造可预测面临的挑战金属增材制造技术虽然能够制造用于航空航天和国防领域的复杂形状部件但由于材料性能难以预测因此仍旧难以被大胆用于对性能要求高的关键应用中。
打印过程中快速的熔化和凝固会形成非平衡的微观结构即使在相同的标准工艺参数下也会导致强度、延展性和断裂韧性出现显著差异。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室LLNL指出高熵合金包含多种主要元素而非单一基体金属因此比传统合金具有更广阔的设计空间。
其复杂的化学成分使其能够展现出广泛的力学性能但也使其对打印过程中的热历史高度敏感。
因此冷却速率的微小差异就可能显著改变原子排列和最终性能进一步加剧了可预测性的挑战。
马萨诸塞大学团队制备出兼具超强强度和高延展性的高性能纳米结构合金利用激光速度对原子结构进行编程为了研究工艺参数如何影响材料性能由LLNL领导的研究团队将热力学建模与金属增材制造的分子动力学模拟相结合。
研究人员分析了激光扫描速度如何影响凝固过程中的冷却速率进而影响原子在成分复杂的合金中的排列方式。
结果表明更快的激光扫描速度会提高冷却速率从而限制原子重排成低能构型的时间这使得材料锁定在非平衡原子结构中。
较慢的扫描速度则允许更多的原子重排从而产生更接近热力学平衡的结构。
这种工艺级控制能够直接在同一合金体系内实现强度和延展性之间的调控。
快速冷却可提高强度但会增加脆性而缓慢冷却则可获得更均衡的力学性能。
该方法无需改变合金成分只需修改单个打印参数即可调整性能。
利用增材制造技术高通量合成Mo-Nb-Ta-W高熵合金“我们现在已经能够有效地设计出充分利用增材制造特性例如极快的冷却速度的新材料”副组长托马斯·沃辛说道。
不同冷却速率下快速凝固的AlCrFe2Ni2高熵合金的室温截面图300 K下冷却速率分别为10K/ps, 5K/ps
1K/ps
01K/ps.蓝色、绿色和白色球体分别对应BCC、FCC和非晶原子。
中央方框代表初始晶格作为BCC结构以蓝色球体表示)尽管LLNL的研究表明在金属增材制造过程中可以通过控制激光扫描速度来影响原子结构但这些发现是基于高熵合金的热力学建模和分子动力学模拟尚未在经过认证的大规模零件生产中得到验证。
尽管如此这项工作表明工艺参数可以作为有意设计的手段来影响材料性能而不是将微观结构变化视为不可避免的结果。
性能可调控在应用中至关重要在金属增材制造过程中调整机械性能的能力解决了该领域面临的一个根本性难题最终用途零件性能的不确定性。
在航空航天、国防和能源等领域工程师无法基于各种可能的材料结果来设计或认证零件。
机械性能必须预先确定才能满足认证、安全和可靠性要求。
然而传统的金属增材制造工艺往往会产生微观结构差异因为热流的微小变化就可能导致原子结构的巨大差异。
通过增材制造制成的高熵合金近期的研究反映出学界正努力减少这种不确定性。
研究表明激光粉末床熔融过程中的冷却速率会影响晶粒结构、韧性和耐腐蚀性而其他研究团队则开发出一些工具可以通过调整激光功率和扫描策略来预测和影响镍基高温合金的微观结构。
这些方法旨在使打印材料的性能与设计意图相符但通常需要进行大量的参数优化或针对特定合金的调整。
3D打印技术参考查询到LLNL的这项研究以“Unravelling Microstructure Selection in an Additively Manufactured Eutectic High-Entropy Alloy”为题发表在Advanced Materials。
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