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

導讀：多主元合金(MPEA)表現(xiàn)出優(yōu)于單一元素主導的傳統(tǒng)合金的協(xié)同性能。然而，金屬3D打印制造MPEA結構材料時，多元素的快速熔化和均勻混合具有巨大的挑戰(zhàn)性，因為很難同時在足夠的熱源中實現(xiàn)高溫和均勻溫度分布。本文報道了一種可實現(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由于其顯著擴展的組合設計空間而顯示出獨特的和廣泛可調(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、化學和機械性能。例如，基于CrCoNi的MPEA表現(xiàn)出優(yōu)異的強度、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，因為它需要一個強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，因為熔化溫度可能發(fā)生在一個很大的范圍內(nèi)。

3D打印是一種新興的制造幾何復雜、性能優(yōu)良的MPEA結構產(chǎn)品的方法。為了在印刷過程中實現(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，導致元素的熱傳遞和擴散不足，導致*終MPEA產(chǎn)品的化學和組織不均勻。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行電預熱的打印頭熔化。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，在當前的MPEA打印技術中，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擴散和MPEA的制備之間進行權衡。

在此，美國馬里蘭大學胡良兵教授課題組聯(lián)合匹茲堡大學，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)性元素損失更少。相關研究成果以題“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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