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pos機的psam和slm
高熵合金 (HEAs) 是一種很有前途的多組分合金，具有新穎的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能的獨特組合。然而，通過傳統(tǒng)方法制造 HEA 仍然存在一定的局限性。3D打印-增材制造的 HEA 具有優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)和改進的性能，近年來增材制造 (AM) 技術(shù)在生產(chǎn) HEA 中的應(yīng)用呈顯著增長趨勢。
發(fā)表在《Materials&Design》上的論文《Additive manufactured high entropy alloys: A review of the microstructure and properties》總結(jié)了迄今為止報道的增材制造 HEA 的微觀結(jié)構(gòu)特征、機械性能和一些功能性能，提供了對該研究領(lǐng)域的基本了解。
本系列谷.專欄，3D科學谷將與谷友共同來領(lǐng)略該論文分享的內(nèi)容，內(nèi)容包括四大部分，第一部分簡要回顧了AM-增材制造技術(shù)在開發(fā)HEA方面的特點，第二部分關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)，包括相對密度、殘余應(yīng)力、晶粒結(jié)構(gòu)、織構(gòu)和位錯網(wǎng)絡(luò)、元素分布、析出物以及后處理對微觀結(jié)構(gòu)演變的影響，第三部分是機械性能，包括硬度、拉伸性能、壓縮性能、低溫和高溫性能、疲勞性能、蠕變行為、后處理效果和強化機制分析。最后第四部分討論了增材制造的 HEA 的新興功能特性，即耐腐蝕性、氧化行為、磁性以及儲氫性能。
3D打印HEA合金
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新技術(shù)“賦能”新材料開發(fā)
HEA高熵合金最初被定義為包含五種以上主要元素的合金，每種元素的濃度在 5% 和 35% 之間。最近，HEA 的概念已擴展到具有四種主要元素的合金。HEA 背后的基本機制是通過焓和熵之間的平衡來最小化吉布斯自由能。
高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨、耐高溫、抗輻射以及軟磁性等等優(yōu)點，都是高熵合金得以被市場認可的原因所在。尤其是在高溫、高壓、高速等極限環(huán)境下，高熵合金制造成的金屬零部件可以維持較好的力學性能。此外在惡劣的氣候環(huán)境、腐蝕性溶液、強動態(tài)載荷條件下，高熵合金的性能都表現(xiàn)極為優(yōu)異。由此高熵合金在海洋工程、核工業(yè)、發(fā)動機工業(yè)、硬質(zhì)刀具工業(yè)都有著廣泛應(yīng)用空間。
多組分HEA高熵合金通常是通過傳統(tǒng)的感應(yīng)熔煉或真空電弧熔煉然后澆鑄生產(chǎn)的，這需要反復(fù)重熔以實現(xiàn)化學均勻性。在 10–20 K·s-1 的冷卻速率下，傳統(tǒng)鑄造在 HEA 的制造過程中通常會導致明顯的相分離，其中通常需要后處理工藝來進一步調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)以獲得所需的性能。此外，通過傳統(tǒng)制造路線生產(chǎn)均質(zhì)塊狀合金所需的內(nèi)在復(fù)雜性方面的控制能力仍然充滿挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開發(fā)有效和高效的技術(shù)來制造這種新型合金，而3D打印-增材制造 (AM) 方法可以產(chǎn)生快速冷卻和凝固速率，并能夠成就零件復(fù)雜的幾何形狀以及高自由度的設(shè)計，這為HEA高熵合金這種高性能工程材料的生產(chǎn)帶來了巨大潛力。
高熵合金在海洋工程、核工業(yè)、發(fā)動機工業(yè)、硬質(zhì)刀具工業(yè)都有著廣泛應(yīng)用空間
根據(jù)《國家著手制定的增材制造高熵合金粉檢測指標》一文，采用3D打印-增材制造技術(shù)制備的高熵合金零部件，其晶粒細小、組織成分均勻，可以有效解決傳統(tǒng)制備高熵合金材料結(jié)晶組織粗大，內(nèi)部易形成疏松和成分偏析的弊端，還可以大幅加快新品開發(fā)速度和響應(yīng)時間，促進高熵合金在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
中熵合金的應(yīng)用
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各有千秋的3D打印技術(shù)
目前有幾種3D打印-增材制造技術(shù)可用于金屬材料的制造和生產(chǎn)，主要包括選區(qū)激光熔融（SLM）、激光熔覆（LMD）、電子束熔融（EBM）和電弧增材制造（WAAM）的方法。
選區(qū)激光熔融（SLM或LPBF) ，是目前應(yīng)用最廣泛的基于粉末床的增材制造技術(shù)。在選區(qū)激光熔融過程中，激光束用于將金屬粉末熔化并融合在一起。一層薄薄的粉末均勻地分布在基材或先前沉積的層上，隨后激光束根據(jù)掃描路徑熔化并融合粉末顆粒。
對于 SLM 技術(shù)，必須仔細調(diào)整幾個工藝參數(shù)，主要是激光功率、激光掃描速度、層厚、孵化距離和掃描策略，以制造具有優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)和性能的無缺陷零件。根據(jù)所用金屬粉末的反應(yīng)性，SLM 工藝通常在充滿惰性氣氛（如氬氣或氮氣）的封閉室中進行。此外，構(gòu)建室還受到過壓條件的影響，這兩者都有助于最大限度地減少制造過程中的氧氣污染。目前在 SLM 過程中可以實現(xiàn)從 104 到 106 K·s-1 的高冷卻速率 ，是市場上研究開發(fā)HEA高熵合金普遍使用的一項3D打印技術(shù)。
與 SLM 技術(shù)相比，LMD激光熔覆3D打印技術(shù)提供了更高的沉積速率，并允許3D打印大尺寸的大塊樣品。需要注意的一個問題是，由于在此過程中某些元素的蒸發(fā)，生成的化學成分可能會偏離起始粉末成分。
根據(jù)3D科學谷的市場觀察，LMD激光熔覆3D打印技術(shù)方面，國際上InssTek開發(fā)了MX-Lab可用于設(shè)計HEA高熵合金，通過MX-Lab開發(fā)，易于更換元素，可超過 5 個元素，易于改變比例，具有準確的送料器。
EBM 工藝在高真空氣氛中進行，通常可以避免制造部件的氧化。在 EBM 過程中，需要預(yù)熱粉末床，以防止由殘余熱應(yīng)力引起的構(gòu)建部件的結(jié)構(gòu)變形，這將影響冷卻速度和制造部件的最終微觀結(jié)構(gòu)。此外，在構(gòu)建部件的尺寸和點陣晶格結(jié)構(gòu)中胞元的最小尺寸方面存在限制。
與上述基于金屬粉末的增材制造技術(shù)本質(zhì)上不同，WAAM 采用電弧作為熱源，金屬填充絲作為原料，被認為是一種具有成本效益的技術(shù)。在 HEA材料的 WAAM加工過程中，考慮到所需的成分，通常使用市售金屬線的組合電纜作為原材料，可以將其完全熔化，以避免在應(yīng)用基于粉末的 AM 方法的情況下由于未熔合的粉末而導致材料損失。此外，WAAM還具有沉積速率高、設(shè)備和材料成本低的優(yōu)點，使其適用于大型金屬部件的生產(chǎn)。
因此，最近WAAM 已成為一種有前途的 HEA 增材制造方法。然而，使用 WAAM 制造金屬部件也會導致諸如亞光學表面質(zhì)量差、尺寸精度不足以及由于劇烈的熔池相互作用而導致的偶爾低密度等缺點。此外，WAAM 相對較慢的冷卻速度和較大的熱源點可能會導致較大的殘余應(yīng)力，從而致使制造零件的變形。
上述增材制造過程中的快速凝固可以限制成分偏析和脆性金屬間化合物在構(gòu)建部件中的形成，通過晶粒細化有助于強化效果，值得注意的是，以前的一些 AM-增材制造的研究主要集中在 HEA 涂層，在這里，重點介紹了由 AM-增材制造技術(shù)制造的塊狀 HEA 的微觀結(jié)構(gòu)和特性。
更多深入分析3D打印HEA材料的分析，請持續(xù)關(guān)注后續(xù)內(nèi)容，下期將聚焦介紹3D打印HEA材料微觀結(jié)構(gòu)層面上密度、殘余應(yīng)力、晶粒結(jié)構(gòu)情況。
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