馬里蘭大學(xué)胡良兵教授重磅《Nature》子刊：開發(fā)新的超高溫多主元合金的3D打印設(shè)備

導(dǎo)讀：多主元合金(MPEA)表現(xiàn)出優(yōu)于單一元素主導(dǎo)的傳統(tǒng)合金的協(xié)同性能。然而，金屬3D打印制造MPEA結(jié)構(gòu)材料時(shí)，多元素的快速熔化和均勻混合具有巨大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)楹茈y同時(shí)在足夠的熱源中實(shí)現(xiàn)高溫和均勻溫度分布。本文報(bào)道了一種可實(shí)現(xiàn)多元素快速熔化和均勻混合的MPEA制備的超高溫熔體打印方法。在示范的制造過程中，多元素金屬粉末被加載到高溫柱區(qū)，通過焦耳加熱可加熱到3000 K，然后以毫秒量級熔化并均勻混合到合金中，其歸因于足夠均勻的高溫加熱區(qū)。作為驗(yàn)證，特地制備了單相大塊NiFeCrCo MPEA，具有均勻的晶粒尺寸。這種超高溫快速熔體打印工藝為MPEA 3D打印提供了極好的潛力。

多主元素合金(MPEA)是指三種或三種以上主元素大量存在的合金，不像傳統(tǒng)合金主要由一種元素組成。MPEA由于其顯著擴(kuò)展的組合設(shè)計(jì)空間而顯示出獨(dú)特的和廣泛可調(diào)的屬性。通過篩選合適的金屬組合，可以獲得協(xié)同的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。例如，基于CrCoNi的MPEA表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度、延展性、耐腐蝕性和抗氧化性，超過了一些性能*好的單主體鎳基高溫合金和鐵基不銹鋼。由Al、Mg、Be、Ti等低密度元素組成的MPEA，由于重量輕，在汽車和航空航天行業(yè)也有很大的潛力。然而，多種主要元素的均勻混合是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗�需要一個(gè)強(qiáng)大的加熱源來充分熔化和均勻混合各種不同的元素，這是特別困難的，因?yàn)槿刍瘻囟瓤赡馨l(fā)生在一個(gè)很大的范圍內(nèi)。

3D打印是一種新興的制造幾何復(fù)雜、性能優(yōu)良的MPEA結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的方法。為了在印刷過程中實(shí)現(xiàn)快速多元素熔化/混合的高加熱溫度，通常使用聚焦高能源(例如，激光、電子束、電弧)相互作用并將金屬粉末熔化成致密的產(chǎn)品。這些方法相對較快的冷卻速度可以有效地防止金屬間相的形成。雖然這些加熱源的溫度足夠高，可以熔解范圍很廣的元素，但這些方法只能實(shí)現(xiàn)小范圍的熔解區(qū)(例如，激光束直徑通常只有~100 μ m)，這導(dǎo)致了高度不均勻的溫度分布。由于小熔池的快速凝固和溫度不均勻，導(dǎo)致元素的熱傳遞和擴(kuò)散不足，導(dǎo)致*終MPEA產(chǎn)品的化學(xué)和組織不均勻。因此，使用聚焦高能熱源的3D打印MPEA通常需要多元素金屬預(yù)先合金化，這增加了額外的加工成本。作為一種替代方法，直接液態(tài)金屬印刷方法已經(jīng)被開發(fā)出來，在這種方法中，固體金屬通過使用銅線圈進(jìn)行電預(yù)熱的打印頭熔化。然而，銅加熱盤管的溫度通常被限制在<1000k，這限制了該技術(shù)可以使用的金屬范圍。此外，由于銅的低發(fā)射率，銅線圈通常具有較低的輻射加熱功率(<0.05)。因此，在當(dāng)前的MPEA打印技術(shù)中，需要在足夠的高溫用于多元素熔化/混合和具有均勻溫度分布的*佳熔池用于均勻元素?cái)U(kuò)散和MPEA的制備之間進(jìn)行權(quán)衡。

在此，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授課題組聯(lián)合匹茲堡大學(xué)，開發(fā)了一種超高溫熔體打印平臺，作為制造3D打印MPEA的加熱源有很大的潛力。與傳統(tǒng)電弧熔煉制備的合金相比，超高溫熔煉打印平臺制備的材料由于加熱和冷卻過程迅速，晶粒尺寸更小，均勻，揮發(fā)性元素?fù)p失更少。相關(guān)研究成果以題“Ultrahigh-temperature melt printing of multi-principal element alloys”發(fā)表在國際著名頂刊nature communications上。

鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-022-34471-7

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