金属学报：基于高通量制备的增材制造材料成分设计

来源： 多尺度力学

增材制造是一种革命性的新型制造技术，已经在航空航天、交通运输和生物医学等领域引起了深远的变革。然而，目前在使用金属材料进行增材制造时，仍然依赖于传统合金，其中部分材料并不适用于高能束加工，导致性能仍有提升的空间。当前针对增材制造的专用材料开发仍然依赖于传统的试错方法，导致效率低下，这成为限制增材制造材料性能提高的关键瓶颈。高通量技术用最少的实验次数获得最多的材料数据，极大地加快了新材料的研发速度，并形成了一套完备的新材料开发方法。高通量材料开发流程与传统试错流程对比如图1所示。来自北京科技大学的张百成等人对增材制造的钢、钛合金和铝合金材料进行了综述，包括现状和问题。列举了高通量制备和表征技术在材料开发和设计中的应用，结合高通量制备的原理和特点。最后探讨了在材料开发中的机遇和挑战，展望了增材制造关键材料开发与成分优化的未来发展方向。

图1 高通量材料开发流程与传统试错材料开发流程对比

图2通过材料成分角度简要总结了铝合金、钛合金和钢的组织结构的演变规律，引出增材制造合金材料在微观、介观、宏观层面面临的几个关键问题，并论述了高通量增材制造材料设计方法在解决这些问题方面的独特优势。通过高通量增材制造制备和表征梯度试样，开发和优化增材制造新合金材料，解决不同尺度下增材制造材料面临的科学难题，有望推动航空航天关键部件性能进一步提升。

图2 高通量增材制造提升航空航天关键材料性能

图3 铝合金凝固曲线及晶粒长大示意图，改性前后增材制造铝合金晶粒结构形貌及高通量优化铝合金成分范围

      铝合金通常采用锻造等传统方式成形，具有优异的力学性能，其合金体系庞大，元素种类繁多，第二相复杂，但由于 Al 对氧敏感，能量吸收率低，高凝固收缩和导热的特性，通过高能束增材制造方式成形困难。文章中指出，近年以来的研究表明添加形核剂是一种有效的提高铝合金打印性和力学性能的成分改性方法。 3(a)和(b)展示出高能束增材制造变形铝合金过程中，由于温度梯度的存在，材料内部形成了发达的平行于构建方向的柱状晶。而图3(c)则表明Zr的加入在熔池反应形成Al3Zr，与基体Al相晶格失配度小于0.52%，高冷速下在凝固前沿形成大量低能垒异质形核位点，诱导产生精细无裂纹的异质等轴晶结构。图3(d)显示Nb含量为1.3%~2.4% (原子分数)时，材料发生柱状晶向等轴晶的转变且晶粒显著细化。

图4 增材制造α、α+β、β钛合金微观结构及增材制造钛合金水平、构建方向力学性能范围

图5 梯度材料制备原理示意图、梯度试样比较以及常见的高通量表征方法

图4进一步展示了不同元素加入形成的钛合金微观结构。Al、Si元素的加入有利于α相的稳定，形成具有hcp结构的针状α/α'钛合金如图4(a)所示；图4(b)展示V、Cr、Mo、Nb这些元素的加入有利于降低α→β转变温度，增大α+β相区，通过增材制造可得到精细的α+ β双相结构；图4(c)续增加β稳定元素使得β相能够在室温稳定保留，通过增材制造最终形成蜂窝状β结构钛合金。更多关于钛合金等轴晶结构控制和钢材的异质结构设计的内容可阅读原文。

图5展示了梯度材料制备原理示意图、梯度试样比较以及常见的高通量表征方法，图5(a)~(c)增材制造技术中用于制备成分梯度材料的DED和SLM技术工艺原理。图5(d)~(f)比较了不同制备方法的梯度试样。高通量表征技术包括高通量X射线衍射(XRD)、高通量硬度测试、高通量扫描电镜(SEM)和背散射衍射(EBSD)等等，可以迅速获取大量成分特征离散变化试样或梯度连续变化试样的材料及性能信息(图5(g)和(h)所示)。

相关研究成果以“基于高通量制备的增材制造材料成分设计”为题发表在金属学报(2023,59(1):75-86)上，论文第一作者和通讯作者为张百成。

论文链接：http://qikan.cqvip.com.era.lib.s ... etail?id=7108777504