Ultrahigh-temperature melt printing of multi-principal element alloys

多主元合金的超高温熔融打印

Xizheng Wang^1,2,5, Yunhao Zhao^3,5, Gang Chen^1,5, Xinpeng Zhao^1,5, Chuan Liu⁴, Soumya Sridar³, Luis Fernando Ladinos Pizano³, Shuke Li¹, Alexandra H. Brozena¹, Miao Guo¹, Hanlei Zhang³, Yuankang Wang³, Wei Xiong³ & Liangbing Hu^1,2

Nature Communications | 2022年11月7日在线发布

DOI: 10.1038/s41467-022-34471-7

PDF原文

论文亮点

            开发了一种超高温熔融打印平台，能够在高达3000K的温度下实现多元素的快速熔融和均匀混合
成功制备了具有均匀晶粒尺寸的单相NiFeCrCo多主元合金，证明了该方法在金属3D打印中的潜力

研究背景

多主元合金(MPEA)相比传统单主元合金具有优异的协同性能，但由于多元素熔点和物理性质差异大，均匀混合极具挑战性
现有的3D打印技术（如激光、电子束）虽然能达到高温度，但熔池小、温度分布不均，导致元素扩散不充分，产品存在化学和微观结构不均匀性
需要一种既能提供足够高温，又能保持均匀温度分布的新方法，以实现高质量MPEA的制造

研究方法

本研究开发了一种基于焦耳加热的超高温熔融打印平台：

使用碳毡材料制作加热器，通过在中间切割形成高电阻柱状区域，实现温度集中
加热区域直径约10mm，远大于传统激光束(约100μm)，提供更均匀的温度分布
温度可调控高达3000K，覆盖大多数金属元素的熔点
多元素金属粉末连续加载到加热区，在毫秒级时间内快速熔融和混合
熔融合金从加热区挤出后，以每秒数百K的速率快速冷却，促进均匀微观结构形成
使用高速相机通过比色高温法测量温度分布
通过SEM、EDS、EBSD、XRD和3D原子探针断层扫描(APT)等多种技术表征合金的微观结构和元素分布

主要结论

成功制备了单相FCC结构的NiFeCrCo多主元合金，元素分布均匀，平均晶粒尺寸为27.9μm
相比传统电弧熔炼方法，超高温快速熔融打印制备的合金晶粒更细小均匀，且挥发性元素损失更少
该方法结合了足够高的温度和均匀的温度分布，解决了现有MPEA打印技术中的权衡问题，为高质量MPEA的3D打印提供了新途径

超高温熔融打印平台

图1: 用于多元素混合制造MPEA的超高温熔融打印平台

内容描述：图1a展示了超高温热集中平台的工作原理示意图。由于加热区电阻较高，只有在施加电压时该区域才会因焦耳效应产生高温。多元素金属粉末连续加载到热集中区，温度可调高达3000K，且温度分布均匀。金属粉末在毫秒级时间内快速加热、熔融并合金化成均匀的MPEA。图1b展示了实际平台的照片。

分析结果：该平台解决了传统聚焦高能束方法中的关键限制，提供了一个更大、更均匀的加热区域，促进了多元素金属粉末的均匀熔融和混合，为高质量MPEA的制造奠定了基础。

加热区温度表征与金属粉末加热冷却过程

图2: 热集中区的温度以及金属粉末的加热和冷却过程

内容描述：图2a展示了热集中加热器挤出熔融MPEA液滴的照片。施加电压时，热量集中在柱状区域，发出明亮光线，而电阻较低的碳毡边缘保持黑暗。图2b显示了不同输入功率下(-150W, -400W, -800W, -2000W，从左到右)加热源的温度分布图。图2c展示了金属粉末通过加热区的示意图，长度约2cm。图2d模拟了直径1μm的金属粉末(Cr, Co, Fe, Ni, Al, Si)在2500K加热器中的温度随时间变化。所有六种元素粉末在6ms内达到熔点(星号标记)。图2e模拟了打印的NiFeCrCo MPEA半球体(直径=6mm)在陶瓷基板上冷却过程中的温度变化。

分析结果：温度测量显示加热区温度分布均匀且可精确控制。模拟结果表明，金属粉末在加热区内停留时间(-60ms)远超过其完全熔融所需时间(<6ms)，确保了粉末的完全熔融。冷却模拟显示初始冷却速率可达>400K/s，这种快速冷却有利于抑制相分离，促进均匀元素分布。

NiFeCrCo MPEA表征结果

图3: 通过热集中高温熔融打印平台制备的NiFeCrCo MPEA的表征

内容描述：图3a展示了形成FCC单相NiFeCrCo MPEA的示意图。图3b展示了用于MPEA制备的热集中区照片。图3c显示了打印的NiFeCrCo MPEA的SEM和EDS结果。图3d和3e分别展示了NiFeCrCo MPEA的EBSD图像和晶粒尺寸分布。图3f显示了通过Scheil模拟预测的NiFeCrCo在凝固过程中的相变路径。图3g展示了制备的NiFeCrCo MPEA典型APT尖端中Ni、Fe、Cr和Co原子位置的三维APT尖端重建。图3h显示了APT尖端的观测和统计二项频率分布分析结果。

分析结果：表征结果显示，制备的NiFeCrCo MPEA具有均匀的元素分布和微观结构，主要为FCC相(>97vol.%)，平均晶粒尺寸为27.9μm。3D APT分析证实了所有元素在纳米尺度上的均匀分布，无明显的元素偏析。与电弧熔炼制备的相同成分合金相比(晶粒尺寸~188μm)，该方法制备的合金晶粒更细小均匀，这归因于均匀的温度分布和快速冷却速率。

挥发性金属的快速熔融打印与应用前景

图4: 挥发性元素损失最小化的演示以及超高温快速熔融打印平台作为实际3D金属打印热源的示意图

内容描述：图4a展示了通过快速熔融打印制备的CuAlSn的SEM和EDS结果。图4b显示了CuAlSn的EBSD结果，显示主要为FCC相(-94.1vol.%)和少量含Sn的次要相(-5.9vol.%)。图4c比较了缓慢加热(导致严重Sn损失)与快速熔融打印(可忽略Sn损失)制备CuAlSn合金的示意图。图4d展示了使用超高温快速熔融打印平台作为热源进行实际MPEA 3D打印的示意图。

分析结果：使用该方法制备的CuAlSn合金成分(Cu_90.3Al_3.8Sn_5.9 wt.%)与初始粉末比例(Cu₉₀Al₄Sn₆)非常接近，Sn损失可忽略不计。相比之下，传统电弧熔炼制备的相同合金Sn损失严重(~30wt.%)。这表明快速熔融过程有效减少了挥发性元素的损失。该平台结合了足够高的温度和均匀的温度分布，以及最小的挥发性元素损失，展示了作为广泛MPEA 3D打印热源的巨大潜力。