增材制造中的合金成分高通量設(shè)計(jì)

來源：MGE Advances 材料基因工程前沿

增材制造正通過其創(chuàng)造復(fù)雜幾何形狀的潛能，革新航空航天、交通運(yùn)輸和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而，目前在增材制造中使用的金屬材料并不適用于高能束流加工，這表明其性能有待提高。增材制造材料的開發(fā)仍面臨挑戰(zhàn)，原因在于傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法效率低下。本綜述探討了增材制造中包括鋁合金、鈦合金、高溫合金和高熵合金在內(nèi)的材料的挑戰(zhàn)和當(dāng)前狀態(tài)，并總結(jié)了合金開發(fā)中的高通量方法。此外，文章還嘗試闡述了高通量制備技術(shù)在改善主要增材制造合金的性能和優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)機(jī)制方面的優(yōu)勢(shì)。在結(jié)論部分，本文突出了高通量技術(shù)在推動(dòng)增材制造材料開發(fā)中的核心作用，并展望了這些技術(shù)未來在引領(lǐng)更高效和創(chuàng)新性材料開發(fā)方法方面可能帶來的變革。

增材制造已從初步的快速原型制作工具演變?yōu)橐环N成熟的制造方法，能夠生產(chǎn)應(yīng)用于航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜組件。該技術(shù)利用激光、電弧或電子束等高能熱源，按層累積構(gòu)建三維實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了卓越的設(shè)計(jì)自由度與微觀結(jié)構(gòu)控制精度。尤其是，激光粉末床熔化等前沿技術(shù)顯著提升了對(duì)金屬合金微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控的能力，使得這些合金呈現(xiàn)出明顯的層次結(jié)構(gòu)和有意設(shè)計(jì)的異質(zhì)性，有效地提升了材料的力學(xué)性能，如強(qiáng)度和延展性。

本文以鋁合金、高溫合金、鈦合金和高熵合金為例，深入探討了增材制造過程中固有的快速冷卻與高熱梯度對(duì)合金溶解度和微觀結(jié)構(gòu)演變的顯著影響。這些熱過程促使晶粒細(xì)化及非平衡相的形成，進(jìn)而增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，但同時(shí)也可能誘發(fā)增殘余應(yīng)力及裂紋敏感性等問題。文章指出，精確控制成分和工藝參數(shù)對(duì)于優(yōu)化材料特性和降低高溫裂紋敏感性至關(guān)重要。

將高通量技術(shù)和材料基因組學(xué)引入到增材制造的實(shí)踐中，標(biāo)志著材料開發(fā)方法的一次革命性創(chuàng)新。這些方法能夠快速篩選并詳細(xì)評(píng)估新合金，顯著降低了實(shí)驗(yàn)的成本和時(shí)間。利用計(jì)算工具和大數(shù)據(jù)，這些高通量技術(shù)為定制增材制造工藝的材料開發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持。

綜上所述，本文嘗試總結(jié)了增材制造技術(shù)的最新進(jìn)展、在特定增材制造條件下材料設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以及如何通過高通量技術(shù)和材料基因組學(xué)來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。希望本文能為當(dāng)前和未來增材制造用材料的設(shè)計(jì)與篩選工作提供一定的參考和啟示。

圖1 先進(jìn)金屬材料與增材制造技術(shù)的關(guān)系，包括成分設(shè)計(jì)、打印過程、性能特性以及高通量制備方法

作者介紹

通訊作者
張百成，教授，博士生導(dǎo)師。主要致力于增材制造，3D打印，新材料開發(fā)。迄今，在國(guó)內(nèi)外重要科技期刊發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文近50篇，引用4000余次，H因子29，3篇論文入選ESI高被引。授權(quán)國(guó)家專利10項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會(huì)議作邀請(qǐng)報(bào)告10余次。擔(dān)任SCI期刊Materials Today Communications編委，Metal編委，International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials（IJMMM）青年編委，《粉末冶金技術(shù)》編委。粉末冶金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟粉末注射成形專業(yè)委員會(huì)副秘書長(zhǎng)；Elsevier，Springer，MDPI旗下30余種國(guó)際著名雜志仲裁審稿人。

第一作者
劉珉，北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院博士生，研究方向?yàn)榛�于金屬增材制造的高通量成分開發(fā)。