美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出航天級(jí)鉬合金3D打印材料美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出航天級(jí)鉬合金3D打印材料 難熔金屬鉬 (Mo) 具有優(yōu)良的高溫特性，包括高熔點(diǎn) (2896 K)、低熱膨脹系數(shù)、良好的導(dǎo)熱性、強(qiáng)度和對(duì)許多液態(tài)金屬的耐腐蝕性。 因此，鉬是航空航天與能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用相關(guān)產(chǎn)品都需要的原材料，特別是對(duì)于熱傳遞和超臨界CO2組件方面的應(yīng)用。然而，加工Mo是很具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)檫@種材料通常具有較差的韌性和較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 (DBTT)，鉬對(duì)加工過程中的氮和氧污染極為敏感，這會(huì)導(dǎo)致其晶界偏析，導(dǎo)致零件開裂。在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行的有限研究中，科學(xué)家將金屬與其他材料混合，試圖更好地控制其重結(jié)晶和晶粒尺寸，但收效甚微。 通過增材制造技術(shù)直接生成設(shè)計(jì)好的幾何形狀是減少鉬成形問題的一種手段。但是關(guān)于鉬合金的增材制造的研究報(bào)道很少，使用Mo的粉末床激光熔化 (LPBF) 的研究表明，生產(chǎn)高密度、無裂紋產(chǎn)品是困難的。增材制造加工鉬合金的主要關(guān)注問題是材料的致密化、在韌性到脆性轉(zhuǎn)變溫度附近的熱循環(huán)以及與粉末原料高比表面積有關(guān)的間隙污染等。 近日，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）開發(fā)出一種被稱為“Mighty Mo”（超強(qiáng)鉬）的耐熱鉬合金配方，可配合電子束熔化（EBM）3D打印，這種合金能承受極端溫度，甚至能夠滿足航空航天應(yīng)用的苛刻要求。
ORNL小組3D打印的“Mighty Mo”材料的SEM圖片 據(jù)介紹，這種超強(qiáng)鉬由鉬和碳化鈦（TiC）粉末混合組成，它克服了這類合金通常的脆性和易氧化性。經(jīng)過（EMD）打印，該金屬基復(fù)合材料就會(huì)產(chǎn)生致密，無裂紋的可承受極端溫度的零件。ORNL的Mike Kirka說：“我們的結(jié)果表明，用機(jī)械合金化的金屬基復(fù)合材料粉末制造是可行的，由熔融粉末形成的結(jié)構(gòu)可以承受高溫，這表明鉬及其合金可以用于航空航天和能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用?！?/span> 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 選用材料： 純鉬粉（LS Tekna ）——45-90um 碳化鈦粉（SAT NANO）——3-7um
混合工藝： Mo 和 TiC 粉末分別以 60:40 的體積比在量筒中混合以獲得 Mo + TiC 金屬基復(fù)合材料 (MMC)，隨后使? Retsch PM 100 行星球進(jìn)行機(jī)械合金化 (MA)，選? 500 毫升容量的不銹鋼罐和直徑為10mm和13mm的不銹鋼球以 2:1 的球粉質(zhì)量比研磨長(zhǎng)達(dá) 8 ?時(shí)。所有粉末處理和混合均在氬氣氛下的手套箱內(nèi)進(jìn)行，以盡量減少暴露于空氣中。在裝入球磨機(jī)之前，球磨罐也充滿氬氣，以盡量減少氧化。
a:純鉬粉的微觀形貌，b：純鉬粉的粒徑分布，c：碳化鈦粉末的微觀形貌，d：碳化鈦粉末的粒徑分布，e:經(jīng)過8小時(shí)機(jī)械合金化后Mo+TiC合金粉末的微觀形貌，d：經(jīng)過8小時(shí)機(jī)械合金化后Mo+TiC合金粉末的粒徑粉末 g:合金粉末元素分布圖，h:合金粉末EDS面掃元素分布圖 打印設(shè)備： 定制Arcam EBM 3D打印機(jī)
打印參數(shù)：
打印結(jié)構(gòu)： 選用了TC4鈦合金基板 自下而上分別為： 1、3mm高的純鉬粉打印的管狀支撐 2、5mm高的純鉬粉打印的致密的實(shí)體 3、3mm高的Mo+TiC合金粉打印實(shí)體 4、2mm高的純鉬粉打印的致密的實(shí)體
a: 定制Arcam EBM 3D打印機(jī) b: Mo-Mo+TiC-Mo三明治樣品的示意圖
（a）SEM圖像顯示在樣品的純Mo區(qū)域觀察到的典型孔隙率。EBSD反極圖圖顯示（b）垂直于加工方向（IPF Z）和（c）沿加工方向（IPFY）的晶粒取向
Mo-TiC熔融區(qū)域內(nèi)的混合微觀結(jié)構(gòu)展示了（a）MA和樹枝狀結(jié)構(gòu)區(qū)域，（b）MA與離散的TiC顆?；旌希╟）離散的TiC與Mo，以及（d）共晶結(jié)構(gòu)為共晶和樹枝狀結(jié)構(gòu)。
固態(tài)Mo-TiC區(qū)域內(nèi)的選定代表性特征顯示（a）混合結(jié)構(gòu)在1000×處的SEM，以及（b）具有離散TiC顆粒的Mo基體，（c）共晶結(jié)構(gòu)和（d）樹枝狀Mo具有樹枝狀的Ti和C以及精細(xì)的層狀TiC區(qū)域，具有非常小的離散TiC顆粒 研究人員通過機(jī)械合金化方法生產(chǎn)鉬 (Mo) + TiC的金屬基復(fù)合粉末，并通過電子束粉末床熔融與純Mo粉末形成夾心結(jié)構(gòu)用于增材制造。Mo + TiC固相層形成了Mo與離散的TiC顆粒，共晶Mo + MoTiC和Mo樹枝狀晶體的混合結(jié)構(gòu)。熱力學(xué)模型表明，該系統(tǒng)在所用的組成范圍內(nèi)具有不變的共晶反應(yīng)，并表明該系統(tǒng)對(duì)組成和溫度的變化高度敏感。 研究結(jié)論： 1. 用機(jī)械合金化的方法制造金屬基復(fù)合材料 Mo + TiC 粉末是可行的。 2. 制備無裂紋致密純鉬是可行的 3. Mo + TiC 熔融區(qū)域具有混合微觀結(jié)構(gòu)，其中包含 具有離散 TiC 顆粒的 Mo 富含 Mo 和 TiC 交替片層的共晶結(jié)構(gòu) 具有富含 Ti 和 C 的枝晶間區(qū)域的純鉬枝晶。 4. 熱力學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)平衡條件下的 BCC-Mo、FCC (Ti)C 和HCP-Mo 2 C 以及平衡條件下的 BCC-Mo 和FCC TiC 相，而 Schiel 計(jì)算更準(zhǔn)確地匹配相觀察。 5. 熱力學(xué)模型表明，該過程對(duì)成分和溫度的變化極為敏感，這反映在觀察到的結(jié)構(gòu)中，主要是由于過程變化，例如層一致性和 EB-PBF 加工過程中產(chǎn)生的局部溫度梯度。 6. EB-PBF 工藝輸入應(yīng)非常小心地控制，以避免在該系統(tǒng)中形成意外相，尤其是粉末，其成分具有廣泛不同的特性（Mo + 離散 TiC）和大量細(xì)小和不規(guī)則顆粒 可能會(huì)顯著影響其 AM 加工條件。
參考文獻(xiàn)： 《Additive Manufacturing of Pure Mo and Mo +TiC MMC Alloy by Electron Beam Powder Bed Fusion》——CHRISTOPHERROCK，Center for Additive Manufacturing and Logistics,North Carolina State University, Raleigh, NC, USA
關(guān)注公眾號(hào)“鋮豐材料”，在下方輸入框輸入“鉬合金”，即可獲得原論文下載鏈接。
產(chǎn)品介紹
|
