马里兰大学胡良兵教授重磅《Nature》子刊：开发新的超高温多主元合金的3D打印设备

导读：多主元合金(MPEA)表现出优于单一元素主导的传统合金的协同性能。然而，金属3D打印制造MPEA结构材料时，多元素的快速熔化和均匀混合具有巨大的挑战性，因为很难同时在足够的热源中实现高温和均匀温度分布。本文报道了一种可实现多元素快速熔化和均匀混合的MPEA制备的超高温熔体打印方法。在示范的制造过程中，多元素金属粉末被加载到高温柱区，通过焦耳加热可加热到3000 K，然后以毫秒量级熔化并均匀混合到合金中，其归因于足够均匀的高温加热区。作为验证，特地制备了单相大块NiFeCrCo MPEA，具有均匀的晶粒尺寸。这种超高温快速熔体打印工艺为MPEA 3D打印提供了极好的潜力。

多主元素合金(MPEA)是指三种或三种以上主元素大量存在的合金，不像传统合金主要由一种元素组成。MPEA由于其显著扩展的组合设计空间而显示出独特的和广泛可调的属性。通过筛选合适的金属组合，可以获得协同的物理、化学和机械性能。例如，基于CrCoNi的MPEA表现出优异的强度、延展性、耐腐蚀性和抗氧化性，超过了一些性能*好的单主体镍基高温合金和铁基不锈钢。由Al、Mg、Be、Ti等低密度元素组成的MPEA，由于重量轻，在汽车和航空航天行业也有很大的潜力。然而，多种主要元素的均匀混合是具有挑战性的，因为它需要一个强大的加热源来充分熔化和均匀混合各种不同的元素，这是特别困难的，因为熔化温度可能发生在一个很大的范围内。

3D打印是一种新兴的制造几何复杂、性能优良的MPEA结构产品的方法。为了在印刷过程中实现快速多元素熔化/混合的高加热温度，通常使用聚焦高能源(例如，激光、电子束、电弧)相互作用并将金属粉末熔化成致密的产品。这些方法相对较快的冷却速度可以有效地防止金属间相的形成。虽然这些加热源的温度足够高，可以熔解范围很广的元素，但这些方法只能实现小范围的熔解区(例如，激光束直径通常只有~100 μ m)，这导致了高度不均匀的温度分布。由于小熔池的快速凝固和温度不均匀，导致元素的热传递和扩散不足，导致*终MPEA产品的化学和组织不均匀。因此，使用聚焦高能热源的3D打印MPEA通常需要多元素金属预先合金化，这增加了额外的加工成本。作为一种替代方法，直接液态金属印刷方法已经被开发出来，在这种方法中，固体金属通过使用铜线圈进行电预热的打印头熔化。然而，铜加热盘管的温度通常被限制在<1000k，这限制了该技术可以使用的金属范围。此外，由于铜的低发射率，铜线圈通常具有较低的辐射加热功率(<0.05)。因此，在当前的MPEA打印技术中，需要在足够的高温用于多元素熔化/混合和具有均匀温度分布的*佳熔池用于均匀元素扩散和MPEA的制备之间进行权衡。

在此，美国马里兰大学胡良兵教授课题组联合匹兹堡大学，开发了一种超高温熔体打印平台，作为制造3D打印MPEA的加热源有很大的潜力。与传统电弧熔炼制备的合金相比，超高温熔炼打印平台制备的材料由于加热和冷却过程迅速，晶粒尺寸更小，均匀，挥发性元素损失更少。相关研究成果以题“Ultrahigh-temperature melt printing of multi-principal element alloys”发表在国际著名顶刊nature communications上。

链接： https://www.nature.com/articles/s41467-022-34471-7

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