韓國材料科學(xué)研究所(KIMS)納米材料研究部的JeongMinPark博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊與慶尚國立大學(xué)的JungGiKim教授和浦項科技大學(xué)(POSTECH)的HyoungSeop Kim教授合作，
成功開發(fā)出一種適用于太空環(huán)境的新型高性能金屬 3D 打印合金。新開發(fā)的合金在低至 -196°C 的極低溫下表現(xiàn)出卓越的機械性能，證明了在太空探索和極端環(huán)境應(yīng)用方面的潛力。
研究成果以題為“Cryogenic tensile behavior ofcarbon-doped CoCrFeMnNi high-entropy alloys additivelymanufactured by laserpowder bed fusion”的論文
發(fā)表在“增材制造（影響因子：11）”雜志上。研究團隊計劃繼續(xù)進一步研究，以提高技術(shù)應(yīng)用的商業(yè)化潛力，并開展更多研究以驗證在極端環(huán)境中的性能。
(a) C-HEA預(yù)合金粉末的SEM顯微照片和粒度分布直方圖。(b)本研究中LPBF工藝的激光掃描策略示意圖。
(a) 基板上打印樣品的光學(xué)照片，以及(b)從矩形樣品中提取拉伸試樣的示意圖。
研究團隊在CoCrFeMnNi合金中添加了少量碳，這種合金在低溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然后使用激光粉末床熔合(LPBF)加工這種合金粉末，LPBF技術(shù)允許通過在納米級細(xì)胞結(jié)構(gòu)邊界處細(xì)分布的納米碳化物最大限度地發(fā)揮碳對合金的強化作用。結(jié)果，研究團隊實現(xiàn)了抗拉強度（抵抗力的能力）和延展性（在失效前承受變形的能力）的組合，在低溫環(huán)境下比無碳合金高出140%以上。特別是，與298K相比，合金在77K時的伸長率達到了兩倍。這項技術(shù)還為增材制造中的合金設(shè)計提供了潛在的指導(dǎo)方針，以生產(chǎn)用于低溫應(yīng)用的具有出色承載能力的高性能產(chǎn)品。該技術(shù)的另一個主要特點是它能夠通過增材制造精細(xì)控制微觀結(jié)構(gòu)。
圖1.(a)偽三維EBSD-IPF圖、(b)ECCI和(c)從打印樣品的YZ平面獲得的TEM-BF顯微照片。
圖2.打印樣品的STEM-BF顯微照片和替代元素的EELS映射結(jié)果。
圖3.（a）TEM-BF 和（b）樣品中凝固單元周圍的HAADF顯微照片。（c）TEM-BF、（d）SADP和（e）C-HEA中納米級沉淀物的EELS 映射結(jié)果。
圖4.(a)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b)加工硬化率，以及C-HEA在298和77K時真實應(yīng)力與真實塑性應(yīng)變的關(guān)系。
圖5.在(a,b)298K和(cf)77K下預(yù)應(yīng)變的拉伸樣品中獲得的整體應(yīng)變?yōu)?a,c)6.3%、(b,d)12.5%、(e)18.7%和(f)24.4%的EBSDIQ圖。請注意，EBSD圖中大角度晶界(HAGB)和孿晶邊界(TB)分別用黑線和紅線標(biāo)記。EBSD圖中雙頭藍(lán)色箭頭表示樣品的拉伸方向。
圖6.在(a,b)298K和(cf)77K下預(yù)應(yīng)變的拉伸樣品中獲得的(a,c)6.3%、(b,d)12.5%、(e)18.7%和(f)24.4%全局應(yīng)變的EBSDKAM圖。請注意，EBSD圖中分別用黑線和紅線標(biāo)記HAGB和TB。EBSD圖中雙頭藍(lán)色箭頭表示樣品的拉伸方向。
圖 7.從EBSD 圖中獲得的孿生面積分?jǐn)?shù)（a）和KAM （b）的平均值與整體應(yīng)變的關(guān)系。
圖8.(a)C-HEA在298和77K下的LUR應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)從(a)中每個應(yīng)變水平的LUR曲線的滯后回線獲得的有效應(yīng)力和背應(yīng)力隨真實塑性應(yīng)變的變化。
圖9.經(jīng)(a,b)298K和(c,d)77K拉伸變形后，預(yù)應(yīng)變(a,c)6.3%和(b,d)12.5%的樣品的變形微觀結(jié)構(gòu)的ECCI顯微照片。在ECCI圖像中，納米級沉淀物用綠色箭頭表示，變形孿生用黃色箭頭標(biāo)記。
圖10. (a)從XY平面獲得的C-HEA樣品的XRD圖案。(b)衍射峰的FWHM測量示意圖，其中imax表示XRD峰的最大強度。
圖 11.LPBFedC-HEA在298和77K下的UTS與T.El的關(guān)系，與之前報道的LPBFedCoCrFeMnNiHEA的關(guān)系比較。請注意，實心符號和空心符號分別代表298K和77K下的特性。
這種金屬3D打印合金可應(yīng)用于太空探索火箭中噴射燃料的噴射器、提取能量的渦輪噴嘴等復(fù)雜部件。它提高了在太空和其他極端環(huán)境中使用的部件的性能并延長了使用壽命。此外，它還克服了現(xiàn)有3D打印合金在低溫韌性方面的限制。
高級研究員兼項目負(fù)責(zé)人JeongMinPark博士說：“這項研究為開發(fā)用于極端環(huán)境的新型合金帶來了重大突破，提供了新的可能性。通過超越傳統(tǒng)太空探索部件制造極限的3D打印技術(shù)，我們可以顯著提高航天運載火箭所用部件的性能?！?/div>
這項研究由KIMS基礎(chǔ)項目（“開發(fā)具有復(fù)雜設(shè)計的超硬異質(zhì)材料的增材制造設(shè)計開發(fā)”和“開發(fā)用于金屬3D打印的高性能材料和工藝”）資助。
