《首次实现电弧增材制造高熵合金 》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-11-11
  • 温州大学陈希章教授团队首次突破了多股绞丝增材制造高熵合金制造技术,为大尺寸和复杂形状高熵合金材料及产品的制造提供了一种高效高质有前途的制造方法,制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金达到强度2.8GPa和塑性42%的优异结合。 高熵合金提出十余年来,由于理论和性能上的突破,是研究人员的研究重点之一。其中增材制造因其独特的优势,收到研究人员和产业领域的关注。增材制造所使用的材料主要是粉末和丝材两种,对高熵合金来讲,目前主要是粉末为主,用于选区激光融化(SLM)、激光熔覆(LMD)、选区电子束熔化(SEBM)和等离子弧增材制造(PPAW)等。而丝材是直接沉积增材制造的主要原材料,特别适用于大尺寸构件的制造,具有效率高、产品利用率高等优势,而高熵合金由于成分的复杂形导致流动性和偏析等问题,大尺寸产品的制造恰恰是其痛点并限制了该材料的工业应用。但高熵合金的丝材制备由于各种技术上的难点,至今未能实现,成为瓶颈技术,大大限制了该高端材料的应用。 近日,温州大学机电工程学院陈希章教授的“先进连接与增材制造”研究团队, 将各种单质或者合金丝按照设计成分计算并采用特殊工艺绞合成单根绞合式丝材(作者命名为CCW),以此丝材作为填充材料,以电弧为能源实现了高熵合金制品的增材制造。 相关研究成果以“Fabrication of bulk Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropy alloy using combined cable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM): Microstructure and mechanical properties” 为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》74(2021)136-142 论文连接:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037 该团队制备的丝材采用多种单质或者合金丝绞合而成,成功避开了高熵合金丝的制备难点。文章涉及绞合丝材由7根单质与合金丝材经计算采用特殊工艺绞制而成,直径为1.8mm,采用冷金属过渡(CMT)电弧增材技术成功制备了Al-Co-Cr-Fe-Ni非等原子比高熵合金。图1所示为作者所采用的技术和多股绞合丝材。绞丝相较传统合金丝具有效率高,质量好的优势。

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    • 编译者:杨芳
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    • 增材制造 基于3D打印技术的摇滚演唱会 上周,黑色安息日摇滚乐队在法兰克福的表演带给德国摇滚歌手极大震撼,就在同一时间,另一支乐队也在法兰克福会展中心的一个大型会堂里准备自己的演出设备。实际上,这支乐队在此之前还没有接触过自己要演奏的乐器;这是因为他们所使用的乐器是在演出前一天才用3D打印机打印出来。 当时,欧洲模具展也在法兰克福会展中心举行,该展会是一个全球性展会,为来自世界各地的模具制造、机床制造和准备开设工厂的工程师提供了一个交流平台。欧盟模具展已经举办了20年,不仅展出传统生产技术设备,如焊接、机械加工和注朔成型技术设备,新近出现的3D打印技术设备也出现在了本届展会上。3D打印技术又被称为增材制造技术,是指利用添加材料的方法来制造实体物品的技术。根据欧洲模具展公布的信息,3D打印设备已经有20种不同的方式打印方式,使用的打印材料除了朔料、金属之外,越来越多的其他材料也能被用与3D打印。 大卫·阿杜·阿毗基和其他乐队成员在欧洲模具展上表演所使用的电吉他、电子琴和架子鼓都是使用3D打印技术设备打印出来的,这他们的表演最吸引人观众的地方。大卫他们的表演想人们展示了3D打印技术发展的两个重要趋势。第一个趋势:人们利用3D打印技术,不用花多少钱就能成为一个生产商。 使用3D打印机来制造乐器已经不是什么新鲜事了。此前,在位于新西兰奥克兰的梅西大学,有一个名叫奥拉夫·迪戈尔的机电一体化教授,他喜欢弹吉他,曾使用3D打印机制造了一些乐器。随着奥拉夫·迪戈尔的设计乐器的品质不断提高,奥拉夫·迪戈尔将自己制造的乐器图片发表在了自己的博客上;不久就有人联系奥拉夫·迪戈尔,表示愿意购买这些乐器。在2012年,奥拉夫·迪戈尔成了一个叫做“ODD 吉他”的公司,进行小规模地制造乐器。ODD吉他公司每一把吉他都是按照买家的要求定制,因此,每一把吉他都是独一无二的。ODD吉他公司在销售了20多把吉他后,奥拉夫·迪戈尔将销售定制3D打印吉他的业务转给了一个名叫“3D系统”的美国公司,正是3D系统公司为大卫·阿杜·阿毗基他们制造了在欧洲模具展上表演用的乐器。 “沃雷斯联盟”是一家3D打印技术行业资讯公司。在沃雷斯联盟主办的一次展会上,奥拉夫·迪戈尔声称:“销售3D打印技术制造的产品,几乎不会遇到资金危机。”3D打印机能按照买家要求打印吉他,因此,制造厂商不会有任何库存问题。此外,3D打印机电整个制造产品的过程都由电脑软件控制,如果要对产品进行修改,直接用电脑软件修改即可,无需调整价值不菲的生产设备。例如,一些吉他买家告诉奥拉夫·迪戈尔他们想要在电吉他上嵌木板,以保证吉他声音的纯正,奥拉夫·迪戈尔随即按照他们的要求进行了调整,虽然在奥拉夫·迪戈尔看来,在吉他上嵌不嵌木板,发出的声音根本没有任何区别。 第二种趋势:将传统加工技术与3D打印技术相结合。奥拉夫·迪戈尔对此解释道:“你能用3D打印机打印出所有东西,但所有东西都要用3D打印机来制造,这就有点过了。”因此,奥拉夫·迪戈尔制造的吉他、架子鼓和电子琴都使用了一些使用传统技术制造的零件和电子元件。(虽然3D打印机也能打印出电子元件。)奥拉夫·迪戈尔的想法是用当前最好的加工方法来制造乐器。奥拉夫·迪戈尔制作了一把名叫“蒸汽朋克”的电吉他,“蒸汽朋克”的内部装满了转动的齿轮;“蒸汽朋克”这种精细的结构如果使用常规机床制造,将是十分困难。 在欧洲模具展上,人们还见到了将传统技术和3D打印技术相结合的其他应用领域。德国DMG Mori Seiki公司是一家在德国和日本都有生产基地的工业机床制造商,该公司在本次欧洲模具展上,想人们展示了他们制造的融合3D打印技术和传统加工技术的混合加工技术机床原型,该机床自身能存储金属粉末,利用激光将金属粉末融化,并将融化后的液态金属一层层地焊接在一起;除了这种激光打印设备,该机床还配有多轴联动铣削头,能将工件上多余的材料去除掉,从而加工出高精度零件。 3D打印技术看起来还不错吧?大卫·阿杜·阿毗基对此已有了深刻印象,但大卫·阿杜·阿毗基认为要是对3D打印机还做一些改进,做出的乐器会更好。不论怎样,这些3D打印机打印出来的乐器足以让奥齐·奥斯本和其他黑色安息日摇滚乐队的成员大吃一惊了。
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    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2024-07-31
    • 上海交通大学材料科学与工程学院董安平研究员、熊良华副教授、杜大帆副教授、何林助理教授课题组联合北京中国科学院高能物理研究所张兵兵副研究员团队,在激光增材制造同步辐射原位研究领域取得了重要进展,相关研究成果以“Dynamics of pore formation and evolution during multi-layer directed energy deposition additive manufacturing via in-situ synchrotron X-ray imaging: A case study on high-entropy Cantor alloy”为题发表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上,这是国内首篇仅利用国内同步辐射资源发表的原位增材高水平文章。 该工作利用同步辐射高能X射线快速成像技术,对典型高熵Cantor合金在传导模式下的多层定向能量沉积(DED)过程进行了原位研究,揭示了三种新的孔洞形成机制,并验证了三种已知的孔洞生成机制;与此同时,基于熔池尺度流场高时空分辨表征,提出了一种调控马兰戈尼流实现孔隙消除新机制。这些发现为高熵合金的增材制造提供了关键的实验数据,有助于开发精准的计算模型和深入理解熔池微观尺度下的孔隙控制策略。上海交通大学材料科学与工程学院博士生张书雅为论文第一作者,上海交通大学材料科学与工程学院孙宝德教授、董安平研究员、熊良华副教授、中国科学院高能物理研究所张兵兵副研究员为论文共同通讯作者,上海交通大学为论文第一完成单位。 激光定向能量沉积(Laser Directed Energy Deposition, LDED)增材制造技术快速实现三维复杂几何形状和大尺寸组件的高质量制造,并且能够制备微观结构可调的新型合金和功能梯度合金,在航空航天、生物医学和核能领域具有重要应用。然而,与传统的铸造和焊接工艺相比,3D打印产品通常表现出更高的孔隙率和更大的孔隙尺寸,难以保障其激光打印一致性和稳定性,严重影响了零件的力学和服役性能。因此,通过优化工艺过程以减少孔隙,对于打印高熵合金等新型金属至关重要。然而,目前对于多层DED过程在传导模式下孔洞形成机制的系统性分析仍然有限;熔池内部形成的孔洞如何随熔流演变并相互作用?这些基础科学问题对于减少甚至消除孔隙至关重要,而多物理模拟熔流对孔隙往往依赖高精度实验数据,当前在多道次DED原位实验研究尚未报道。 针对上述问题和挑战,研究人员利用同步辐射高能X射线快速成像技术,高时空分辨穿透高温金属熔体,实时观察到高动态微尺度下熔池和气孔的动态演变过程,原位研究了传导模式下多层DED过程中多种合金体系(从铝基、钛基、镍基合金到高熵合金)中的孔洞形成及演化行为,阐明了熔池内六种孔洞生成机制和三种孔洞演化机制。 研究还发现,典型Cantor高熵合金中存在独特的逆Marangoni对流现象,有助于延长孔洞的生存时间。在熔池循环区,孔洞沉降至激光相互作用区相邻位置的熔池底部,随后被推至熔池尾部;在接触到凝固前沿之前向上移动,并重新进入熔池内部循环。长寿命孔洞通常会在熔池激光相互作用区和循环区相邻位置合并,容易向高温区域移动,在热毛细力和浮力主导下经由熔池表面逃逸。这些发现对高熵合金等新合金体系DED工艺参数优化、开发可靠的高保真计算模型以及从熔池尺度调控缺陷等具有理论指导意义。 图1 同步辐射原位研究激光定向能量沉积增材制造过程,从熔池尺度高精度高时空分辨揭示内部孔洞形成及演化新机制 图2 同步辐射快速成像原位研究DED过程。(a)利用高能快速X射线成像技术实时监测粉末输送示意图;(b)同步辐射线站原位表征装置图 图3 同步辐射快速成像高时空分辨表征熔池形貌,定量化数据可以标定和输入高保真模型 图4 Cantor合金多道次熔覆后熔道形貌,可以看出激光能量密度严重影响多道次熔道内部缺陷生成和熔池表面起伏以及凝固后成形质量 图5 同步辐射原位表征数据定量化分析熔池内部孔洞的捕获和消除行为