透过NASA开发的氧化物弥散强化中熵合金,看3D打印高温合金发展-金属3D打印工厂

透过NASA开发的氧化物弥散强化中熵合金,看3D打印高温合金发展-金属3D打印工厂插图

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透过NASA开发的氧化物弥散强化中熵合金,看3D打印高温合金发展

| 3DScienceValley · 2022/02/24

根据3D科学谷的市场观察,随着金属3D打印日趋受到重视,可打印的金属合金材料也在不断的获得研发领域的突破。化工厂、油井及气井开采设备等的部件通常曝露在强腐蚀性气体中,为了确保操作中的安全性,这就要求这些部件具备高强度和耐腐蚀性,高熵合金在其中扮演了重要的角色。

以往的中/高熵合金是通过铸造出来的,然而,铸造时容易出现成分偏差现象。并且硬度很高,难以进行后期的机械加工。3D打印在中/高熵合金的制备方面提供了一条曲径通幽的解决办法。为高温应用量身定制的3D打印合金,NASA开发了氧化物弥散强化介质中熵合金 (LEW-TOPS-151)

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© NASA

耐腐蚀、耐高温

根据3D科学谷,当今和未来的发电和交通领域的大量领先技术都依赖于安全高效地使用高温材料。到目前为止,用于在恶劣环境中运行的组件的材料非常昂贵且难以加工。3D打印-增材制造提供了新的材料设计策略和处理方式,这些可能性帮助克服这些材料难以加工的缺点。氧化物弥散强化 合金(ODS)允许在极端侵蚀、高温腐蚀和热疲劳负载条件下运行。

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ODS氧化物弥散强化中熵合金的应用

© 3D科学谷白皮书

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 极端温度下的稳定表现

美国宇航局NASA格伦研究中心的创新者为增材制造 (AM) 技术量身定制开发了一种新的氧化物弥散强化中熵合金 (ODS-MEA)。这种ODS 合金的纳米级陶瓷颗粒分布在金属中。

根据3D科学谷的了解,最初这种合金是为了提高极端温度下的机械性能(例如,抗蠕变性、拉伸强度、微观结构完整性)而开发的。这种合金在燃气轮机、火箭发动机、核反应堆和其他高温应用的金属部件中显示出应用前景。然而,生产此类合金的传统机械合金化工艺效率极低、耗时且成本高,而3D打印开辟了一条成就这种合金的捷径。

NASA 的 ODS-MEA 材料通过选区激光熔化L-PBF金属3D打印技术进行加工。该合金可以制造成复杂的几何形状,并且可以抵抗应力开裂和树枝状偏析。

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(a) 示意图展示了使用新型氧化物涂层粉末原料将纳米级氧化钇颗粒掺入 AM增材制造部件中;(b) SEM 显微照片显示氧化物在 AM 组分中的分散;(c) 化学图证实 (b) 中所示的暗颗粒是纳米级氧化钇分散体。

© NASA

氧化钇颗粒分散在整个合金中,以使用一种新的制造技术最大限度地提高高温下的强度和抗蠕变性。NASA 的 ODS-MEA 可在高达 1100°C 的温度下保持性能,并且在暴露于极端温度时不易受到有害相变的影响,这是镍基高温合金如 Inconel-625 和 Inconel-718 普遍存在的问题。

该技术采用声学混合器在金属基体粉末中搅拌纳米级氧化钇粉末,在较大的金属粉末颗粒周围形成一层氧化钇膜。然后通过选区激光熔化L-PBF金属3D打印技术对该材料进行加工,在此期间,激光将氧化钇颗粒分散在整个微结构中。最终,3D打印工艺消除了通过传统机械合金化生产 ODS 合金的昂贵且耗时的步骤。

NASA 的工艺已被证明可以制造在 1100°C 时蠕变断裂寿命提高 10 倍的组件,并且比目前使用 3D 打印部件的强度提高了 30%。新的 ODS-MEA 合金可以在目前使用 ODS 合金的地方找到应用(例如,那些涉及极端热环境的应用),包括用于发电、推进(火箭、喷气发动机等)、核能应用以及采矿和水泥生产行业的制备设备,燃气轮机部件(提高进气温度可提高效率)等等。

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 应用

航空航天:航天发射系统和喷气涡轮发动机的高温部件

工业机械:化学处理和废物处理系统

船舶:船舶涡轮发动机

石油和天然气:炼油工艺

电力:用于发电的蒸汽轮机和燃气轮机、太阳能热电厂的结构部件、核反应堆系统的热交换器

推进:火箭、喷气发动机等

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 快速发展中的3D打印耐高温合金

根据知乎,三元体系通常称为中熵合金(MEA),四元或五元体系称为高熵合金(HEA)。在众多中-高熵合金体系中,以铬镍钴为基材的面心立方(fcc)单相合金表现出优异的综合性能,包括高强度、抗拉延展性、断裂韧性和耐冲击性

不仅仅是NASA在通过3D打印制造耐高温的合金,根据3D科学谷的市场观察,此前,德国亚琛ACCESS研究机构开发了极限抗拉强度1100 MPa的3D打印高熵合金NADEA,NADEA是设计用于直接能量沉积和激光粉末熔化工艺加工的高熵合金,是双相钢的一种有吸引力的替代品。与双相钢不同,NADEA不含sigma阶段,可进行多种热处理。

ACCESS是与德国亚琛工业大学(RWTH)相关的独立研究中心,特别专注于金属材料和铸造工艺,与合作伙伴一起,ACCESS开发了一种新的具有双相钢(1.4517)材料特点的材料NADEA,该系列基于无钴的高熵合金AlxCrFe2Ni2,并添加了其他合金成分,例如钼(Mo)。

NADEA的化学成分可确保稳固的加工窗口,良好平衡的微观结构和便利的强度/延展性平衡。经过DED-直接能量沉积加工和退火后,NADEA的屈服强度达到600 MPa以上,极限抗拉强度为1100 MPa,伸长率为27%。此外,NADEA还具备优异的耐磨性和良好的耐腐蚀性。

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 快速发展中的3D打印氧化物弥散ODS合金

ODS合金,氧化物弥散强化合金(Oxide dispersion-strengthened alloy),一种具有承受高中子通量的理想核包壳材料,具有弥散的柯氏气体团,形成超稳定的强化态,具有抗高温蠕变的特性。

根据3D科学谷的市场观察,欧洲地平线 HORIZON 2020发起topAM 项目,支持开发3D打印ODS氧化物弥散强化合金。欧盟资助的 topAM 项目的目标是开发新的工艺路线,用于制造氧化物弥散强化合金,该合金由金属基体(FeCrAl、Ni 和 NiCu)组成,其中散布着小的氧化物颗粒。这些合金将作为3D打印增材制造的粉末生产,并为加工工业提供竞争优势。

欧洲地平线 HORIZON 2020的topAM 项目的发起的意图是优化用于增材制造的氧化物弥散强化合金的设计,例如在燃气燃烧器头和热交换器的制造中,因为这些材料在高温下表现出良好的耐腐蚀性和机械性能。先进的集成计算材料工程方法将帮助合金和工艺开发,结合热力学、微观结构和工艺模拟,计算方法有助于最大限度地缩短开发时间、节省原材料使用并延长组件寿命。

目前,根据亚琛工业大学通过微观结构演化模拟软件进行的有限元法 (FEM) 模拟显示,在项目中考虑的基础合金中加入氧化物后,在改善微观结构方面取得了可喜的成果,项目期待着第一个机械和腐蚀测试结果。

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 快速发展中的增材制造标准

据悉,在国内,中/高熵合金作为一种新的合金组成形式如同飓风一般席卷并振奋了许多的材料学研究者,尤其是金相学的研究者。业界惊讶于中/熵合金在机械性能方面的卓越表现以及甚至被赋予功能化的可能性。而为了规范增材制造行业,国家计划修订了一系列的相关标准予以指导。

增材制造用高熵合金粉是增材制造高熵合金的重要原料,同时采用增材制造技术可以开展小批量、复杂形状的高熵合金零件的开发和制备。采用增材制造技术制备的高熵合金零部件,其晶粒细小、组织成分均匀,可以有效解决传统制备高熵合金材料结晶组织粗大,内部易形成疏松和成分偏析的弊端,还可以大幅加快新品开发速度和响应时间,促进高熵合金在各个领域广泛应用。

根据拜恩检测,国家就增材制造用高熵合金粉检测标准也在着手制定。高熵合金粉的关键性能检测指标和工艺性能参数主要有化学成分、粒度、松装密度、振实密度、流动性等指标 。增材制造工艺需要实现致密化成形,不同的增材制造工艺对粉末的粒度有不同的要求,而且粉末的化学成分、松装密度、振实密度、流动性等性能指标不仅会影响增材制造工艺过程,并且也会对最终成形坯体的显微组织、力学性能、尺寸精度、表面质量等产生影响。

✅大唐盛世是一站式金属3D打印服务平台,长年专注于金属3D打印的设计、定制加工、小批量生产及后工序处理,拥有多年精密零件金属3D打印成型经验,旗下的大型金属3D打印生产基地位于东莞大朗镇光辉高新产业园,上万平米的打印生产制造车间,50多台高精度金属3D打印设备,CNC加工中心、4轴加工中心、5轴加工中心、三轴加工中心、铣床、数控车床、三坐标、精雕机、电火花机、钻攻机等配套设备上百台,擅长小公差、复杂结构原型、高精密度的金属零件小批量生产。为新老用户提供钛合金3D打印、铝合金3D打印、不锈钢3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。通过我们3D打印加工的产品被广泛应用于机械、医疗、通讯、电子、电器、汽车、航空航天等各行各业。公司自成立以来始终坚持:为客户提供满意的产品和服务的基本质量方针,严格执行ISO9001质量管理体系,加强6S质量体系的内部实施,并且通过全体员工的共同努力,让每一位客户对我们的服务及产品质量都表示满意。金属3D打印定制就到大唐盛世!

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