金属材料多尺度高通量制备研究进展

材料高通量实验是在短时间内完成大量样品的制备与表征,可帮助研究者快速筛选新材料的成分和工艺组合,高效探索材料创新的“基因”,从而促进自主创新迭代能力,是材料基因组工程的关键技术之一。高通量制备技术是高通量实验的基石,其技术发展方向可归纳为两类,第一类是通过并行试验的方法提高制备效率,第二类是在同一样品上实现成分或工艺参数梯度变化。按照制备样品单元的尺度可分为纳微观样品制备方法和宏观样品制备方法,以界面法、薄膜法为代表的纳微观尺度高通量制备技术已被广泛用于各类新材料的成分设计。目前该领域的重要发展方向之一是块体样品的高通量制备技术,用以实现对样品宏观力学性能的直接表征。发展中的宏观尺度样品的高通量制备方法总体上可分为成分高通量制备和工艺高通量制备两大类。本文按照样品尺度归纳了各类高通量制备方法的优缺点及应用特点,特别是高通量方法与激光增材制造技术结合制备块体材料的思路,重点介绍了高通量制备技术在高熵合金、非晶合金和新型结构材料设计开发中的应用案例,分析了高通量制备技术未来发展的重点和趋势,包括均匀块体样品的高效高通量制备、高通量制备与表征的一体化协同以及发展高通量数据采集管理学习的一体化云数据平台,以期为金属新材料成分及工艺设计提供技术思路。

铁/镍元素粉末的选区激光熔化过程扩散动力学研究

异质粉末3D打印,即采用纯元素或简单合金粉末混合进行3D打印,可以省略冶炼和制粉流程,在打印中直接完成冶金过程,相比传统基于均质金属粉末的3D打印,该法流程缩短、粉末种类减少,具有重要的发展价值。本文针对选区激光熔化(SLM)打印过程,提出了异质金属粉末直接3D打印冶金的技术原理,并以Fe基合金为例分析了各类元素的扩散动力学。计算表明,通过提高SLM脉冲峰值温度、延长熔态时长、减小合金粉末粒径、增加后续高温热处理等方法可以大幅提高打印过程中的元素扩散效率,实现成分均匀化。SEM和EDS实验结果显示,提高SLM脉冲峰值温度、延长熔态时长能有效提高扩散效率,与计算结果吻合。

材料数据共享现状综述及区块链应用前景探讨

在材料领域,大数据逐渐成为新的资源,在材料研发过程中扮演着重要的角色。目前国内外有诸多材料数据库,科学数据的开放和共享逐步成为国际共识,欧洲学术界开展了开放科学运动并提出了科学数据FAIR原则。然而,数据共享过程中仍存在一些技术挑战,如材料数据共享技术、知识产权与数据安全问题以及材料数据共享生态的建设问题。区块链由于具有去中心化、可追溯等特点,为材料数据共享提供了新的解决思路。本文调研了材料数据库的共享现状,论述了数据开放科学运动的发展和FAIR原则,提出了目前材料数据管理与共享所面临的挑战,并通过区块链的应用原理和案例探讨了区块链在材料数据共享中的应用前景。

激光原位合金化Fe-Mn合金的元素质量损失

多材料打印是目前金属增材制造的重要发展方向,利用多材料打印技术可以节约材料,充分发挥材料和结构耦合设计特点、实现综合优异的性能或功能。其中激光原位合金化技术是实现多材料打印的核心方法之一,利用激光作为热源逐层熔化粉末形成三维零件,成形的金属零件致密度高、尺寸精度高、表面粗糙度好。由于锰元素的蒸气压较高,在高温热源的作用下蒸发效应更强烈,针对多材料激光原位合金化制备技术中的元素蒸发问题,以纯金属粉末铁和锰为原材料,采用高通量增材制造设备,分别进行了Fe10Mn(质量分数,下同)和Fe20Mn混合异质粉末的激光选区熔化试验,重点对比分析了不同激光功率、扫描速度、成分配比等参数对成形样品的质量损失及成分精度的影响。研究结果表明,锰质量分数为20%时的质量损失率低于锰质量分数为10%的质量损失率。高锰含量样品在成形过程中蒸发更加剧烈,反冲压力更大,熔池更窄更深。激光原位合金化成形合金最佳的工艺参数为激光功率220 W,扫描速度500 mm/s,扫描间距0.08 mm,层厚0.03 mm,成形试样的密度最高可达7.81 g/cm^(3),致密度最高可达99.78%。最佳工艺参数条件下,原位合金化Fe20Mn合金的质量损失率仅为1.50%。因此,在Fe-Mn合金中,锰相较于铁具有更大的蒸发倾向,优化了Fe-Mn合金的激光打印工艺参数,为提高易蒸发元素的成分精度控制提供了参考。

选区激光熔化制备W-25%Re合金组织和性能研究

以球形W-25Re(质量分数,%,下同)合金粉末为原料,采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备W-25Re合金试样,研究工艺参数对W-25Re合金组织和性能的影响。利用分析天平、场发射扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度仪等分析方法表征SLM制备的W-25Re合金试样的相对密度、显微组织、相组成和显微维氏硬度等性能。结果表明:SLM制备W-25Re合金过程中无明显的球化、翘曲、变形、分层或不能成形现象,试样表面和侧面无明显孔洞和裂纹等缺陷,成形性良好。随着输入体能量密度逐渐增大,W-25Re合金试样内部垂直面晶粒形态逐渐从等轴晶和柱状晶混合转变为粗大的柱状晶。W-25Re合金试样仅含有立方晶系W_(13)Re_(7)相,衍射峰2θ角向左偏移的变化主要是由残余应力造成的。激光功率和扫描速度对W-25Re合金试样相对密度的影响显著。当体能量密度为1050 J/mm^(3),即激光功率210 W,扫描速度200 mm/s时,可获得相对密度高达98.493%的W-25Re合金试样;此时,试样水平面和垂直面的显微硬度(HV_(0.2))分别为5153.8和5101.9 MPa,与轧制态W-25Re合金硬度值接近。

304L不锈钢的激光粉末床熔融原位合金化

采用Fe、Cr和Ni单质元素混合粉末作为LPBF原材料,以原位合金化的方式制备304L不锈钢,研究了工艺参数对试样密度、微观组织、成分均匀性、相结构和显微硬度的影响,并将其与预合金粉末LPBF试样进行了对比。结果表明:原位合金化试样的致密度最高可达99.05%;随着激光能量密度增加,试样的成分均匀性逐渐提高,物相结构从面心立方+体心立方(FCC+BCC)转变为FCC;当激光能量密度为242 J/mm^(3)(P=290 W,v=500 mm/s)时,能谱分析结果显示原位合金化试样成分均匀,显微硬度为224 HV,微观形貌与预合金粉末LPBF试样一致;当激光能量密度较低时,原位合金化试样内部的多相结构以及异质形核产生的细晶结构能有效提高其硬度,硬度最高可达302 HV,较预合金LPBF试样提高了26.4%。

材料数据基础设施架构研究与应用

材料数据是材料数字化研发的基石,材料数据基础设施的建设是有效利用材料数据、加速材料研发的关键。目前,国内外有诸多材料数据基础设施,数据的开放和共享逐步成为国际共识。分析了材料数据基础设施建设面临的主要挑战与应对策略,提出了分布式材料数据基础设施的通用基础架构及其关键技术。基于该架构,在边缘、企业、行业3个层级进行平台部署设计,并构建了材料数据基础设施实例,展示了平台功能与其在材料数字化研发研发中发挥的作用。

Cr元素含量对激光粉末床熔融FeCr合金组织与性能的影响

采用Fe和Cr元素混合粉末作为激光粉末床熔融的原材料,以原位合金化的方式制备了从纯Fe到Fe20Cr(质量分数,%)的成分梯度样品。研究了不同Cr元素含量下试样的成分均匀性、相结构、微观组织形貌和显微硬度的变化规律。结果表明:样品的合金化程度良好,所有成分梯度的成分最大平均偏差仅为0.35%。X射线衍射仪显示所有的成分梯度均为BCC结构。纯Fe的微观组织为等轴晶,随着Cr元素含量的增加,在Fe10Cr和Fe12Cr之间发生了由等轴晶向柱状晶的微观组织转变。等轴晶的细晶强化效果可以有效提升样品的显微硬度,Fe10Cr的显微硬度为181 HV0.5,在所有成分梯度中最高。

基于激光选区熔融的高通量制备系统设计及样品制备

SLM(激光选区熔融)原位合金化技术,即原材料采用混合单质粉末在激光选区熔融过程中直接完成元素合金化并同步成型高致密度样件的方法。该技术可省掉原料粉末预合金化过程,通过实时、定量粉末混合给料控制,可实现块体样品的高通量制备。将SLM合金化与高通量制备两者有机融合应用于特种材料体系如高熵合金等材料的开发,实现材料成分、结构、物理化学性质的高通量获取,可为材料设计和制备技术的发展提供一项颠覆性的创新手段,科学意义和应用价值巨大。基于自主设计开发的SLM高通量制备系统,采用铁、镍单质元素粉一次性制备12组Fe-Ni合金块体样品,采用CALPHAD方法计算了铁镍合金的相图及密度,通过金相扫描、能谱、XRD、显微硬度试验等方法分析设备的实时混粉精度和样件的成型性能。计算和实验结果显示,基于自研高通量SLM设备的粉末成分混合精度可控制在6%(质量分数)以内。样品成型性能良好,致密度均在98.5%以上,金相组织中未见明显的孔洞、未熔合和未熔颗粒。随着镍含量变化,高通量打印样品硬度在150~330HV之间变化,未见明显的硬度离散分布,设备打印功能稳定可靠。

Q&P钢残留奥氏体含量的热动力学计算

基于CALPHAD方法建立了Q&P钢的配分扩散模型,并建立了一套特定成分在特定QP工艺下的组织转变计算任务流,通过计算QP钢一次淬火过程的马氏体/残留奥氏体含量和配分过程中残留奥氏体的碳富集量,并结合Thermo-Calc软件内置的基于吉布斯自由能的马氏体相变本构模型,预测稳定保留至室温的残留奥氏体含量。利用该模型计算文献钢种(Fe-0.2C-1.28Mn-0.37Si-0.0018B,wt%)的室温残留奥氏体含量,结果显示计算马氏体转变温度比试验数据高60℃,计算室温残留奥氏体含量为4.41%,与试验数据基本吻合,从而验证了该计算模型的半定量性。利用该模型进一步计算分析了碳、锰元素含量和热处理制度对AQT980和AQT1180钢一次残留奥氏体含量的影响规律,计算结果显示碳、锰元素含量的增加可使钢中相变点(A_(3)、Ms、Mf)温度下降;在固定淬火温度下,钢中的碳含量和锰含量增加可使一次残留奥氏体含量大幅增加;当碳、锰元素含量一定时,一次淬火温度的上升会使一次残奥含量大幅增加。

永磁材料3D打印研究进展

永磁材料已广泛应用于国民经济与国防军工等重要领域,其传统制备过程多采用烧结、铸造等方式进行,工艺流程长且生产成本高。3D打印技术作为一种革命性的新兴生产手段,极大拓展了三维部件的设计及制造自由度,因具有能够生产制备形状复杂的工件的优势,已广泛应用于结构材料的生产制备过程。近年来,3D打印技术呈现向功能材料方向发展的趋势,其在制备永磁材料方面的应用主要包括熔融沉积(FDM)、粘结剂喷射(BJ)、基于激光粉末床熔融的选择性激光熔融(SLM)以及选择性激光烧结(SLS)等技术。综述了3D打印永磁材料研究现状,主要包括Al-Ni-Co永磁体、Mn-Al合金、Sm-Co永磁体和Nd-Fe-B永磁体,并对其未来发展方向进行了展望。

18CrNiMo7-6齿轮钢高温渗碳淬火变形数值模拟

以18CrNiMo7-6齿轮钢为对象,通过有限元的方法,模拟了C型缺口试样高温渗碳淬火的温度场、相变场、以及应力场,研究了高温渗碳淬火的变形规律。结果表明,通过模拟与实测变形结果比对,建立的多场耦合的有限元模型能够较为准确模拟高温渗碳淬火变形规律;C型缺口试样渗碳淬火时热应力和马氏体相变应力交互作用,导致C型缺口张开位移呈现先增后降再增加的变化趋势,当心部马氏体体积分数在50%时缺口张开位移最小。

过/再热器管道高温蒸汽氧化相图计算

为了研究过/再热器管道内壁普遍存在与高温蒸汽反应导致的氧化现象,利用Thermo-Calc相图计算软件对几种钢质管材在不同环境下的氧化产物进行了理论分析。结果表明,对高温蒸汽环境的调控应该与管材材质相关联考虑;耐热钢材质的变化不改变氧化层的宏观结构,但可以改变氧化物组成;从T23、P91到TP347,氧化层中FeCr2O4致密氧化物质量分数增加,其抗氧化性能递增。德国新近研发的HiperFer17Cr5耐热钢,可以在较宽的氧分压范围内形成以FeCr2O4为主的致密氧化层,且通过添加钨、铌兼具更好的高温强度,具有较好的应用前景。

Al对低中子吸收截面Ti-Zr-Nb高熵合金的微观结构和腐蚀行为的影响

针对Al对低中子吸收截面Ti-Zr-Nb系高熵合金的微观结构和腐蚀行为进行了研究。比较了不含Al和含15at%Al的Ti-Zr-Nb合金的相图、微观结构、氧化行为和腐蚀行为。相图计算结果表明,在熔点下Ti-Zr-Nb三元合金为bcc相,添加的Al会倾向于在合金中形成不同的金属间化合物,而缩小相图中bcc单相区的温度区。XRD和TEM结果表明,熔炼获得的Ti-Zr-Nb三元合金为简单的bcc结构,而Al会导致晶体结构转变为有序的B2结构。通过热重分析和高压釜试验对Ti-Zr-Nb系高熵合金的腐蚀行为进行了研究。结果表明,在腐蚀过程中,Ti-Zr-Nb三元合金的氧化膜容易发生剥落,而添加Al会提高氧化层的稳定性,但不会改变腐蚀氧化层的主要氧化物种类。通过计算反应速率常数和激活能对氧化动力学进行了研究,发现添加Al的Ti-Zr-Nb系合金的高温氧化性能与Zr合金接近。

基于热力学计算的水工况对耐热钢高温氧化行为影响

基于热力学计算方法,对6种不同的水工况条件下的高温氧分压进行了计算和对比。计算结果显示,TP347H和T91两种材料在570℃时高温氧化产物类型转变的临界氧分压约为1.0×10^(-15),而常规的加氧工况OT(1)、纯水工况、还原性全挥发处理工况AVT(R1)在此条件下的氧分压均高于1.0×10^(-10),因此认为常规的加氧工况和还原性全挥发处理工况对TP347H、T91的高温氧化产物的热力学控制效果相差无几。通过改变材料中的合金元素含量,材料高温氧化产物的种类会发生变化。当提高Cr含量时,表层致密氧化层Cr_(2)O_(3)的体积分数提高。而对于新型的Fe-18Ni-25Cr-xAl材料,随着Al含量的增加,(Fe, Cr, Al)_(2)O_(3)的质量分数一定程度增加。当Al质量分数高于3%时,表层会出现致密的Al_(2)O_(3)相,能够提高高温氧化保护的效果。