計算模擬方法，尤其是基于相圖計算（CALPHAD）的方法，可以預(yù)測并篩選出具有所需微觀結(jié)構(gòu)和性能的潛在高熵合金。計算模擬工具，如CALPHAD相圖計算、有限元法（FEM）、計算流體動力學(xué)（CFD）和分子動力學(xué)（MD）模擬，能夠幫助研究人員精準預(yù)測材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和熱物理特性，從而優(yōu)化激光粉床熔融工藝參數(shù)。這些方法有效降低了試錯成本，提升了打印質(zhì)量。

本期，借助材料人的分享，本期3D科學(xué)谷與谷友共同領(lǐng)略3D打印高熵合金設(shè)計、制備、微觀組織和性能的綜述！尤其是如何通過多種計算模擬方法，加速合金的篩選與優(yōu)化。

▲論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

3D科學(xué)谷洞察

“計算模擬在增材制造高熵合金中的作用是多方面的，它不僅能夠加速新合金的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化，還能深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為高熵合金的研究和應(yīng)用提供了強有力的工具。”

 01【導(dǎo)讀】

近年來，金屬3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)方面取得了顯著進展，而高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)憑借其卓越的機械、物理和化學(xué)特性，已成為金屬增材制造領(lǐng)域的熱門材料。由新加坡南洋理工大學(xué)的周琨教授團隊撰寫的最新綜述，聚焦激光粉床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技術(shù)在高熵合金領(lǐng)域的應(yīng)用，系統(tǒng)總結(jié)了不同種類高熵合金的設(shè)計策略、粉末制備方法、打印態(tài)微觀組織、性能表現(xiàn)以及潛在應(yīng)用前景。
該綜述以“Recent progress in high-entropy alloys for laser powder bed fusion: Design，processing, microstructure, and performance”為題，發(fā)表在材料綜述的頂刊《Materials Science & Engineering R：Reports》上。文章旨在為研究人員提供寶貴參考，助力開發(fā)高性能高熵合金，推動這一新興材料在增材制造中的應(yīng)用與發(fā)展。

 02【內(nèi)容簡介】

高熵合金是一類新型合金，通過在接近等原子比的成分下混合多種主要元素，展現(xiàn)出優(yōu)異的強度、韌性、耐腐蝕和抗輻射性能。相比傳統(tǒng)合金，高熵合金具備更廣泛的設(shè)計空間，適合應(yīng)用于航空航天、能源和生物醫(yī)學(xué)等高性能需求領(lǐng)域。然而，由于組成復(fù)雜與多元素混合帶來的材料制備和穩(wěn)定性問題，傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)有效加工。激光粉床熔融技術(shù)憑借其高冷卻速率、極致的幾何設(shè)計自由度和可控的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，為研究人員提供了克服這些挑戰(zhàn)的有力工具。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

該篇綜述將高熵合金分為七種類別：3d過渡金屬高熵合金、共晶高熵合金、沉淀強化高熵合金、耐火高熵合金、亞穩(wěn)態(tài)高熵合金、間隙高熵合金和高熵基復(fù)合材料 （如圖1）。研究中詳細分析了每種高熵合金在不同應(yīng)用中的微觀結(jié)構(gòu)特征及其制造過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，通過激光粉床熔融制備的共晶高熵合金，具有優(yōu)良的打印精度和機械強度，廣泛應(yīng)用于對力學(xué)性能和輕量化有極高要求的工程領(lǐng)域。

▲圖1、激光粉床熔融高熵合金的設(shè)計分類

由于實驗的高昂成本且耗時，文章總結(jié)了多種計算模擬方法，加速了合金的篩選與優(yōu)化。綜述詳細介紹了多種計算模擬工具（如圖2），包括CALPHAD相圖計算、有限元法（FEM）、計算流體動力學(xué)（CFD）和分子動力學(xué)（MD）模擬。通過這些工具，研究人員能夠精準預(yù)測材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和熱物理特性，幫助優(yōu)化激光粉床熔融工藝參數(shù)。這些方法不僅有效降低了試錯成本，還顯著提升了打印質(zhì)量，為高熵合金的增材制造提供了可靠的理論支撐。

▲圖2、計算模擬激光粉床熔融高熵合金的成分設(shè)計和工藝優(yōu)化

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

高熵合金的微觀組織對其性能具有決定性影響。激光粉床熔融工藝的高冷卻速率使得高熵合金在打印過程中形成獨特的微觀結(jié)構(gòu)。例如，3d過渡金屬高熵合金通常形成單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出優(yōu)異的強度和韌性平衡。此外，共晶高熵合金由于其特有的雙相微觀結(jié)構(gòu)（如FCC和BCC相交替排列），在滿足強度要求的同時提高了延展性。沉淀強化高熵合金通過在合金基體中形成精細的析出物，提升了材料的硬度和抗蠕變性能，非常適合高溫應(yīng)用。耐火高熵合金則展示了極高的熔點和優(yōu)異的耐磨損性，在極端環(huán)境應(yīng)用中表現(xiàn)突出。文章還指出，LPBF過程中的殘余應(yīng)力和熱處理策略對于控制這些微觀結(jié)構(gòu)起著重要作用。

▲圖3、激光粉床熔融各類高熵合金的拉伸性能總結(jié)

3D打印的高熵合金在強度和延展性平衡方面表現(xiàn)出色（如圖3），使其在承受動態(tài)載荷和沖擊時能夠有效抵抗斷裂。其強化機制包括析出強化、形變誘導(dǎo)相變等。在極端環(huán)境中，耐火高熵合金的高熔點和熱穩(wěn)定性表現(xiàn)尤為突出，適合應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)部件。共晶高熵合金因其雙相結(jié)構(gòu)和較好的導(dǎo)熱性，適用于對熱管理要求較高的應(yīng)用場合。此外，間隙高熵合金由于添加了碳、氮等小原子元素，提升了材料的硬度和耐磨性，在高磨損條件下表現(xiàn)優(yōu)異。高熵合金在腐蝕和輻射等嚴苛環(huán)境下同樣表現(xiàn)出色。例如，3d過渡金屬高熵合金的多元素混合效應(yīng)（如惰性保護效應(yīng)）提升了其耐腐蝕能力，適合于海洋和化工領(lǐng)域的腐蝕性環(huán)境。研究還發(fā)現(xiàn)，LPBF工藝中的高冷卻速率有利于抑制有害相的析出，從而增強了材料的耐輻射性能。這些特性使高熵合金在極端應(yīng)用環(huán)境中具備巨大的應(yīng)用潛力。

▲圖4、激光粉床熔融高熵合金的工業(yè)應(yīng)用前景示例

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

     綜述中還討論了激光粉床熔融制備的高熵合金在能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（圖4）。例如，3d過渡金屬高熵合金適用于制造航空器零部件的制造，共晶高熵合金則適合用于生物醫(yī)學(xué)植入物的個性化定制。未來，隨著計算模擬技術(shù)和機器學(xué)習(xí)的成熟，高熵合金的開發(fā)速度將進一步加快，這將為增材制造技術(shù)在高性能材料領(lǐng)域的應(yīng)用開辟更多可能。

 03【團隊介紹】

     新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學(xué)數(shù)字制造聯(lián)合實驗室和新加坡3D打印中心，長期從事多種增材制造技術(shù)（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物復(fù)合材料及高性能新金屬材料研發(fā)、先進結(jié)構(gòu)設(shè)計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學(xué)性能表征及其應(yīng)用等。

來源
材料人 l

南洋理工周琨團隊頂刊綜述：3D打印高熵合金

鏈接
https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

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