極限抗拉強度1100 MPa，德國亞琛3D列印高熵合金NADEA

2020-11-30 3D科學谷

隨著金屬3D列印日趨受到重視，可列印的金屬合金材料也在不斷的獲得研發領域的突破。化工廠、油井及氣井開採設備等的部件通常曝露在強腐蝕性氣體中，為了確保操作中的安全性，這就要求這些部件具備高強度和耐腐蝕性，高熵合金在其中扮演了重要的角色。以往，這些高熵合金是通過鑄造出來的，然而，鑄造時容易出現成分偏差現象。並且硬度很高，難以進行後期的機械加工。

根據3D科學谷的市場觀察，3D列印在高熵合金的製備方面提供了一條曲徑通幽的解決辦法。

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圖片來源：ACCESS

微觀層面提升價值

ACCESS是與德國亞琛工業大學（RWTH）相關的獨立研究中心，特別專注於金屬材料和鑄造工藝，與合作夥伴一起，ACCESS開發了一種新的具有雙相鋼（1.4517）材料特點的材料NADEA，該系列基於無鈷的高熵合金AlxCrFe2Ni2，並添加了其他合金成分，例如鉬（Mo）。

L-PBF工藝（雷射粉末熔化工藝），由AlxCrFe2Ni2合金粉末製造的半軸葉輪。切割表面顯示出集成的用於輕量化目的的點陣結構。©Oerlikon AM GmbH

有吸引力的雙相鋼替代品

NADEA是設計用於直接能量沉積和雷射粉末熔化工藝加工的高熵合金，是雙相鋼的一種有吸引力的替代品。與雙相鋼不同，NADEA不含sigma階段，可進行多種熱處理。

NADEA的性能（*下載有關NADEA詳細資料請根據文後提示加入科學谷QQ群）©Access

NADEA的化學成分可確保穩固的加工窗口，良好平衡的微觀結構和便利的強度/延展性平衡。經過DED-直接能量沉積加工和退火後，NADEA的屈服強度達到600 MPa以上，極限抗拉強度為1100 MPa，伸長率為27％。此外，NADEA還具備優異的耐磨性和良好的耐腐蝕性。

NADEA材料潛在的應用領域是石油和天然氣，近海，採礦和化學工業。

除了ACCESS和弗勞恩霍夫Fraunhofer ILT雷射研究所，其他合作夥伴包括AGH科技大學，以色列理工學院，魯汶大學，奧託·容克有限公司和歐瑞康。

Fraunhofer ILT超高速雷射熔覆技術

3D科學谷Review

雙相鋼

根據3D科學谷的市場觀察，雙相鋼方面，此前，在IDAM聯合項目成員亞琛工業大學數字製造DAP學院、Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫雷射技術研究所、慕尼黑工業大學金屬成型和鑄造學院、GKN粉末冶金，寶馬集團等共同努力下，證明了DP 600雙相鋼在汽車市場上工業化的巨大潛力。這是一種雙相鋼，可以使用熱處理方法調節其機械性能。

DP 600雙相鋼氣體霧化材料已在EOSM300-4系統上進行了驗證，其伸長率達到13％（原樣），達到22％（經熱處理），拉伸強度達到700 MPA（經過熱處理）。這些特性使得雙相鋼材料成為汽車及其他工業市場結構性件應用的理想選擇。而通過將水霧化粉末用於未來應用，可以進一步降低零件成本。

HiPEACE高熵合金

根據3D科學谷的市場觀察日立製作所和日本東北大學開發出了在拉伸強度和耐腐蝕性能方面出色的3D列印高熵合金「HiPEACE」。日立和日本東北大學調整了粉末床的電子束能量及掃描速度，並將預熱處理的溫度（預熱溫度）控制到必要的最低限度。通過降低預熱溫度，拉大與熔融溫度之間的溫度差，從而加快凝固速度。通過在具備高耐腐蝕性的基體相中均勻分散數十nm左右的高硬度金屬間化合物。日立成功試製出了成分偏差少、均質且形狀複雜的部件。與以往的其他製造方法相比，HiPEACE拉伸強度達到鑄造方式的1.4倍，點蝕電位提高至1.7倍。用於製造化學工廠等的設備部件時，可延長設備壽命、提高運轉率。

此前，來自北卡羅來納州立大學和卡達大學的研究人員開發出一種新的「高熵合金」具有較高的強度重量比，超出其他任何現有的金屬材料。不過該合金的主要問題是，它含有百分之20的鈧，這是極其昂貴的。如果繼續研究可以更換或淘汰鈧合金，將為交通工具的輕量化市場帶來巨大的想像空間。

國內進展舉例

根據西安交通大學的專利CN104308153B，西安交通大學開發了基於選區雷射熔化的高熵合金渦輪發動機熱端部件的製造方法，從鎢、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭及鉬八種高熔點金屬粉末中選取任意五種或者五種以上，按照一定摩爾比均勻混合，製得高熵合金粉末。通過選區雷射熔化技術快速成形出渦輪發動機熱端部件坯體，然後對坯體進行熱處理、精加工，得到高溫性能良好的高熵合金渦輪發動機熱端部件。成形的渦輪發動機熱端部件具有高的緻密度和優越的高溫性能，同時具有較高的成形精度和表面精度，能夠實現高性能渦輪發動機熱端部件的快速精確製造。

此外，來自新加坡科技設計大學（SUTD），南洋理工大學（NTU），華中科技大學和湖南大學的研究人員合作，還對高熵合金HEA 3-D列印的最新成果進行了詳盡的綜述。該研究發表在《Advanced Materials》上。

增材製造的心臟-亞琛

從1995年開始，亞琛的Fraunhofer就一直在推動增材製造突破界限，從混合製造，到選區雷射熔化技術SLM的專利誕生，到模具應用開發、植入物應用開發等等，亞琛這裡聚集了技術與應用兩條主線的前沿發展趨勢。

以亞琛Fraunhofer ILT, 亞琛Fraunhofer IPT，亞琛工業大學等機構為基礎成立了亞琛增材製造中心ACAM（Aachen Center for Additive Manufacturing）。正文中的ACCESS是ACAM的研究夥伴之一。ACAM目前有超過100多名科研人員從事增材製造的科研，解鎖增材製造複雜奧秘，ACAM集中亞琛的優勢資源推動增材製造認證、聯合研發、培訓教育、產業孵化等多方面的發展。

2020年，ACAM 開展的研究主題則包括：

  • 金屬binder jeting基準
  • 後處理方法的基準測試，包括自動後處理（金屬和塑料）
  • 從雷射粉末床熔化LPBF製造的零件中自動去除粉末
  • 通過可變光束直徑，提高雷射粉末床熔化LPBF生產率
  • LPBF和EBM的工具鋼案例研究
  • 基於LMD的工具鋼增材製造可行性研究
  • 高溫應用的高熵合金，通過LPBF加工形狀記憶合金和金屬玻璃
  • 信任增材製造設備：開發用於LPBF和DED機器認證的方法

ACAM德國聯合總裁Kristian Arntz博士在中國科協年會上的演講視頻

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