在EBM金屬3D打印中，高熵合金具有什么潛力？

來源：3D打印商情


金屬3D打印對于當(dāng)今世界范圍內(nèi)的許多制造商來說變得非常寶貴，有關(guān)工藝和材料的研究也在繼續(xù)。據(jù)《3D打印商情》了解，新加坡制造技術(shù)研究所和南洋理工大學(xué)的研究人員正在研究用于電子束熔化（EBM）技術(shù)的金屬粉末——通過預(yù)合金粉末制造CoCrFeNiMn高熵合金。

大多數(shù)關(guān)于嚴(yán)肅的制造實(shí)踐的研究，以及他們對金屬中心3D打印的興趣，都是圍繞著生產(chǎn)強(qiáng)大、復(fù)雜的產(chǎn)品的最佳方法而進(jìn)行的。研究人員在論文中解釋了用重熔法生產(chǎn)的高熵合金零件與目前流行的選擇性激光燒結(jié)工藝相比，是否是對傳統(tǒng)鑄造工藝的一種現(xiàn)實(shí)的改進(jìn)。

CoCrFeNiMn被稱為通過用氬氣霧化真空誘導(dǎo)制備的等原子合金粉末。作為單面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)，CoCrFeNiMn多年來一直是各種研究的焦點(diǎn)，原因在于：

•    機(jī)械性能強(qiáng)
•    耐腐蝕性能
•    耐磨性
•    卓越的延展性
  

科學(xué)家們指出，雖然像CoCrFeNiMn這樣的HEAS在低溫下表現(xiàn)良好，但熔化、鑄造和機(jī)械合金化是“主要的制備方法”，但往往導(dǎo)致氣孔和孔隙度問題。由于以下特點(diǎn)，粉末床熔融增材制造（PBFAM）為制造的HEA提供了潛力：

•   處理時(shí)間短
•    幾何精度
•    減少浪費(fèi)
•    定制的可能性
  

EBM依賴于高達(dá)1100°C的高能量預(yù)熱，降低了對活性部件的應(yīng)力，并且已知在以前生產(chǎn)HEA部件方面是成功的。除了評估CoCrFeNiMn的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能外，研究人員還能夠通過氣體霧化生產(chǎn)該研究，進(jìn)一步分析粉末流動(dòng)、粒度、密度、缺陷、可打印性等。為了更好地簡化3D打印，將霧化粉末分成四個(gè)不同的類別：≤25μm，25-45μm，45-105μm和105-300μm。這分別允許放電等離子體燒結(jié)/注射成型、選擇性激光熔化（SLM）、EBM和激光輔助AM。

流動(dòng)性是PBFAM的重要特征之一，可以通過不同的方式確定，但是對于這項(xiàng)研究，通過霍爾流量計(jì)漏斗進(jìn)行了評估并且顯著優(yōu)異。評估粒度，證明具有良好的可打印性，并且基于阿基米德原理和OM觀察檢查部件的缺陷。此外，顯微硬度評估如下：

“使用Matsuzawa MMT-X3維氏硬度計(jì)在1kg下對拋光的試樣檢查顯微硬度15秒。從長方體樣品上切下橫截面為1×3mm^2，標(biāo)距長度為5mm的狗骨樣品。使用具有10kN測力傳感器的Instron 5982萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，室溫下初始應(yīng)變速率為3.3×10-4s-1。用視頻引伸計(jì)記錄應(yīng)變。檢查三個(gè)試樣以獲得屈服強(qiáng)度（YS）、極限拉伸強(qiáng)度（UTS）和斷裂伸長率。

化學(xué)成分分析揭示了“球形形態(tài)”，只有少數(shù)不規(guī)則顆粒，所有顆粒整體形成為固化液滴，在霧化的“湍流”中相互碰撞。

除了衛(wèi)星之外，通過橫截面觀察揭示了在霧化過程中對應(yīng)于夾帶氣體的球形孔。與偶爾出現(xiàn)在細(xì)粉末中相比，粗粉中以球形孔隙為主。這些夾帶的氣孔不僅會影響真實(shí)密度，還會導(dǎo)致AM部件出現(xiàn)缺陷�！�

“在篩分過程后獲得相對窄范圍的粉末。 P1，P2，P3和P4的平均粒徑分別為10.3,36.2,63.3和129.8μm。尺寸分布重疊是由不完美的篩分過程引起的，例如球形粉末堵塞網(wǎng)，這可以通過改變篩分過程來改善。

SEM圖像顯示具有不同放大率的典型HEA粉末形態(tài)。 （a）和（b）粉末尺寸≤25μm（P1）; （c）和（d）的粉末尺寸范圍為45至105μm（P3）。

科學(xué)家們一致認(rèn)為，雖然以前的工藝可能會導(dǎo)致使用HEA粉末的障礙，但氣體優(yōu)化使這些材料成為大規(guī)模生產(chǎn)的明確考慮因素，并指出粉末具有以下所有特性：

    ●理想的和明顯的密度
    ●螺紋密度
    ●流動(dòng)性
    ●粒度分布

然而，研究人員指出，由于“高密度的衛(wèi)星”可能存在安全問題，盡管它似乎不會影響EBM打印過程。然而，孔隙率是一個(gè)問題，研究人員暫時(shí)建議采用熱等靜壓工藝來消除增材制造中的這些問題，但這種工藝成本高，可能會限制大多數(shù)應(yīng)用。

“有人認(rèn)為，低孔隙率的粉末，例如，通過等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝生產(chǎn)的粉末，將是需要在高工作溫度下暴露的關(guān)鍵工業(yè)部件的理想選擇�！毖芯咳藛T說。

最終，該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論認(rèn)為，此研究過程的所有重要特征都認(rèn)為它適用于PBFAM技術(shù)和新材料，并進(jìn)一步說明：

“……EBM制造的CoCrFeNiMn HEA部件具有與其傳統(tǒng)鑄造對應(yīng)部件相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能（顯微硬度和拉伸性能）�！�

隨著這種技術(shù)的材料和粉末的研究繼續(xù)增長，各種不同方法的金屬3D打印開始滲透到專注于尖端制造工藝的行業(yè)，例如汽車工業(yè)、航空航天、軍事和工業(yè)等領(lǐng)域-還有更多。

通過預(yù)合金粉增材制造的CoCrFeNiMn高熵合金（a）EBM構(gòu)建部分的圖像。 （b）側(cè)視圖的粗糙表面的SEM。 （c）具有不同膨脹程度和缺乏融合的長方體樣品的典型頂面外觀。黃色和紅色箭頭分別顯示腫脹和缺乏融合。

來源：3D打印商情