《Scripta Materialia》：增材製造3D高熵合金能量吸收能力遠超傳統金屬

2020-09-26 特鑄雜誌

導讀：發展了一種藉由油墨書寫與熱燒結相結合的方法來增材製造三維結構鈷鉻高熵合金。合金晶格表現出突出的能量吸收能力，這來源於三維結構以彎曲為主的變形模式，以及等軸晶的完全退火均勻微觀結構，共同導致了顯著的應變硬化。該研究為3D列印高級建築材料提供了一條新的途徑，適用於各種結構應用。


建築材料在自然界和工程材料中無處不在，通常適用於熱交換、催化、機械阻尼和能量吸收等各種工程應用。建築材料的性能取決於其拓撲結構和組成材料。傳統的建築材料製造技術通常依賴於液體熔體的連接和發泡，這對拓撲結構造成了限制。隨著增材製造（AM）技術（3D列印技術）的發展，具有3D幾何複雜拓撲結構的材料和部件現在得以直接實現。。

據報導，高熵合金（HEAs）具有特殊的力學性能，包括超高的斷裂韌度和與某些金屬玻璃相似的強度，是潛在的高性能建築材料。為了利用AM和HEAs的綜合優勢，近年來對HEA的AM進行了大量的研究。早期的研究方法存在固有的局限性，如能耗要求高、運行成本高，還會產生與複雜熱歷史相關的極不平衡微觀結構，導致殘餘應力較高，甚至產生微裂紋，從而降低製造部件的性能和逼真度。

基於此，近日美國麻省大學的Wen Chen教授課題組以鈷錳礦為例，提出了一種通過預合金化鈷鉻微粉DIW與直接後燒結相結合的方法來實現三維結構HEAs的AM。研究成果以「Additive manufacturing of three-dimensional (3D)-architected CoCrFeNiMn high- entropy alloy with great energy absorption」為題發表於期刊《Scripta Materialia》中。文中發現燒結三維結構的CoCrFeNiMn顯示出一個均勻的微觀結構，具有超常的機械能量吸收，遠遠超過傳統的金屬結構。

論文連結：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.028


SEM、XRD和EBSD-IP圖結果顯示，在燒結狀態下，發現了均勻的單相FCC結構，且燒結後發現元素分布非常均勻。EBSD-IPF圖顯示了具有隨機取向晶粒的等軸粗晶結構的普遍性。這種退火良好的等軸結構與其他高能雷射或基於電子束的AM製備的結構有著本質上區別，其中非平衡的結構通常佔主導地位。這種趨勢表明，憑藉完全間擴散和等溫燒結，DIW技術有可能提供結構均勻且可忽略殘餘應力的樣品。此外，儘管燒結溫度相對較高且時間較長，仍然在晶界和三聯結處觀察到一些殘餘孔隙，可能是初始粉末的較大尺寸引起的固相燒結最後階段的驅動力較小導致的。

能量吸收密度Ashby圖顯示，3D結構的CoCrFeNiMn顯示出現有建築材料（如密度相似的鋼和鈦合金建築）無法達到的突出能量吸收，推測歸因於完全退火的微觀結構，在其三維晶格和組分大塊試樣中觀察到顯著的應變硬化。對其微觀變形機制研究發現，除了組成材料中的固有位錯硬化機制外，晶格的彎曲主導宏觀變形模式很可能是另一種機制，正如許多其他具有相同拓撲結構的延性建築材料所證明的，和3D結構CoCrFeNiMn在壓縮時的顯著應變硬化有關。

該研究為設計和3D列印具有極高的機械能量吸收能力先進的建築材料提供了新的機會，適用於各種高附加值行業領域的應用。未來還將進一步推進該項工作，以充分了解這些三維結構HEAs塑性變形的微觀機制，這對優化微觀結構和結構拓撲至關重要。

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