KIMS研究人员开发出超强金属3D打印合金，为太空应用带来新的可能性

2024年10月30日，南极熊获悉，韩国材料科学研究所 (KIMS) 纳米材料研究部的 Jeong Min Park 博士领导的研究团队与庆尚国立大学的 Jung GiKim 教授和浦项科技大学 (POSTECH)的 HyoungSeop Kim 教授合作，成功开发出一种适用于太空环境的新型高性能金属 3D 打印合金。新开发的合金在低至 -196°C 的极低温下表现出卓越的机械性能，证明了在太空探索和极端环境应用方面的潜力。

研究成果以题为“Cryogenic tensile behavior ofcarbon-doped CoCrFeMnNi high-entropy alloys additively manufactured by laserpowder bed fusion”的论文发表在“增材制造（影响因子：11）”杂志上。研究团队计划继续进一步研究，以提高技术应用的商业化潜力，并开展更多研究以验证在极端环境中的性能。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104223

(a) C-HEA 预合金粉末的 SEM 显微照片和粒度分布直方图。 (b) 本研究中 LPBF 工艺的激光扫描策略示意图。

(a) 基板上打印样品的光学照片，以及 (b) 从矩形样品中提取拉伸试样的示意图。

研究团队在 CoCrFeMnNi 合金中添加了少量碳，这种合金在低温条件下表现出优异的性能。然后使用激光粉末床熔合 (LPBF) 加工这种合金粉末，LPBF技术允许通过在纳米级细胞结构边界处细分布的纳米碳化物最大限度地发挥碳对合金的强化作用。结果，研究团队实现了抗拉强度（抵抗力的能力）和延展性（在失效前承受变形的能力）的组合，在低温环境下比无碳合金高出 140% 以上。特别是，与 298 K 相比，合金在 77 K 时的伸长率达到了两倍。这项技术还为增材制造中的合金设计提供了潜在的指导方针，以生产用于低温应用的具有出色承载能力的高性能产品。该技术的另一个主要特点是它能够通过增材制造精细控制微观结构。

图 1.( a) 伪三维 EBSD-IPF 图、(b) ECCI 和 (c) 从打印样品的 YZ 平面获得的TEM-BF 显微照片。

图 2.打印样品的 STEM-BF 显微照片和替代元素的 EELS 映射结果。

图3.（a）TEM-BF 和（b）样品中凝固单元周围的HAADF 显微照片。（c）TEM-BF、（d）SADP和（e）C-HEA 中纳米级沉淀物的EELS 映射结果。

图 4.( a) 工程应力-应变曲线，(b) 加工硬化率，以及 C-HEA 在 298 和 77 K 时真实应力与真实塑性应变的关系。

图 5.在(a, b) 298 K 和 (cf) 77 K 下预应变的拉伸样品中获得的整体应变为 (a, c) 6.3%、(b, d) 12.5%、(e) 18.7% 和 (f) 24.4% 的 EBSD IQ 图。请注意，EBSD图中大角度晶界(HAGB) 和孪晶边界 (TB) 分别用黑线和红线标记。EBSD 图中双头蓝色箭头表示样品的拉伸方向。

图 6.在(a, b) 298 K 和 (cf) 77 K 下预应变的拉伸样品中获得的 (a, c) 6.3%、(b, d) 12.5%、(e) 18.7% 和 (f) 24.4% 全局应变的 EBSD KAM 图。请注意， EBSD 图中分别用黑线和红线标记HAGB和 TB。EBSD 图中双头蓝色箭头表示样品的拉伸方向。

图 7.从EBSD 图中获得的孪生面积分数（a）和KAM （b）的平均值与整体应变的关系。

图 8.( a) C-HEA 在 298 和 77 K 下的 LUR 应力-应变曲线。(b) 从(a) 中每个应变水平的 LUR 曲线的滞后回线获得的有效应力和背应力随真实塑性应变的变化。

图 9.经 (a, b) 298 K 和 (c, d) 77 K 拉伸变形后，预应变 (a, c) 6.3% 和 (b, d) 12.5% 的样品的变形微观结构的 ECCI 显微照片。在 ECCI 图像中，纳米级沉淀物用绿色箭头表示，变形孪生用黄色箭头标记。

图10. ( a)从 XY 平面获得的 C-HEA 样品的XRD图案。(b) 衍射峰的 FWHM 测量示意图，其中 i max表示XRD峰的最大强度。

图 11. LPBFed C-HEA 在 298 和 77 K 下的 UTS 与 T. El 的关系，与之前报道的 LPBFed CoCrFeMnNi HEA 的关系比较。请注意，实心符号和空心符号分别代表 298 K 和 77 K 下的特性。

这种金属3D打印合金可应用于太空探索火箭中喷射燃料的喷射器、提取能量的涡轮喷嘴等复杂部件。它提高了在太空和其他极端环境中使用的部件的性能并延长了使用寿命。此外，它还克服了现有3D打印合金在低温韧性方面的限制。

高级研究员兼项目负责人 Jeong Min Park 博士说：“这项研究为开发用于极端环境的新型合金带来了重大突破，提供了新的可能性。通过超越传统太空探索部件制造极限的 3D 打印技术，我们可以显著提高航天运载火箭所用部件的性能。”

这项研究由KIMS基础项目（“开发具有复杂设计的超硬异质材料的增材制造设计开发”和“开发用于金属3D打印的高性能材料和工艺”）资助。