研究人员开发出一种适用于太空使用的新型3D打印高性能金属合金

3D打印技术参考注意到，一个来自韩国的研究团队，在不久前开发了一种适用于太空使用的新型3D打印高性能金属合金。该合金通过在纳米级晶胞结构边界上添加碳产生细小分布的纳米碳化物颗粒，显著提高了在极低温度（-196°C）下的机械性能，与无碳合金相比，新合金的抗拉强度和延展性提高了140%以上。特别是在-196°C时，合金的伸长率是24℃时的两倍，显示了其在低温环境下的适用性。

研究人员指出，这项研究为开发极端环境下使用的新型合金提供了重大突破，并可能显著提高航天运载火箭部件的性能。增材制造工艺实现的微观结构控制为未来高性能合金设计提供了宝贵信息。开发的合金在复杂部件如航天火箭发动机的燃油喷射器和发电涡轮喷嘴等方面具有潜在应用，有助于提高在苛刻太空条件下使用的部件的性能和寿命。该研究以“Cryogenic tensile behavior of carbon-doped CoCrFeMnNi high-entropy alloys additively manufactured by laser powder bed fusion”为题，发表在《Additive Manufacturing 》杂志上。

本研究系统地探索了通过激光粉末床熔融（LPBF）技术增材制造的碳掺杂CoCrFeMnNi高熵合金（C-HEA）的低温拉伸行为。激光粉末床熔融（LPBF）3D打印技术，能够制造复杂结构金属零件，在制造业中占据着重要地位。LPBF过程中的极端热循环允许生成特殊的微观结构，如异质各向异性晶粒结构、纳米尺寸的晶胞以及溶质偏析，可显著提高材料的强度和塑性。因此，LPBF过程可以扩展控制金属材料力学性能的微观结构变量。

实验过程

实验使用的名义成分为(CoCrFeMnNi)99.5C0.5（原子百分比）的球形粉末作为原料。使用商业LPBF机器在316 L不锈钢基板上打印尺寸为30×6×6mm的矩形样品。LPBF过程中，样品以双向激光扫描（之字形扫描模式）打印，层与层之间旋转180°，激光功率为90W，扫描速度为200mm/s，层厚为25μm。通过感应耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和碳/硫分析确定了粉末和打印样品的全球化学成分。

结果与讨论

1. 3D打印C-HEA的分层异质微观结构

LPBF C-HEA的初始微观结构显示了与LPBF过程中激光轨迹重复熔化/凝固相关的晶粒结构形态。异质各向异性晶粒结构通过促进塑性变形期间的应变梯度影响LPBF样品的拉伸性能。平均晶粒尺寸估计为60.1 μm。在C-HEA样品的YZ平面上获得的电子通道对比成像（ECCI）微观图显示了具有纳米尺寸沉淀物的凝固细胞。在LPBF材料中，凝固细胞是连接微米级晶粒和纳米级沉淀物的关键微观结构。由于LPBF期间的超高冷却速率，细圆柱形细胞沿熔池中的温度梯度生长。

(a) 伪三维EBSD-IPF图(b) ECCI和(c) 来自打印样本YZ平面的TEM-BF显微图像

打印样品的STEM-BF显微图像和替代元素的EELS映射结果

(a) TEM-BF和 (b) HAADF显微照片，展示了样品中凝固晶胞周围的区域。(c) TEM-BF(d) 选SADP以及 (e) EELS映射结果，展示了C-HEA中纳米级沉淀物的分析结果

2. C-HEA的低温拉伸性能

在298 K和77K下对C-HEA进行拉伸测试的结果表明，C-HEA在77K时的应力水平远高于298K，而C-HEA在77K时的拉伸延伸率显著高于298K。在298K时，C-HEA的屈服强度、抗拉强度和总延伸率分别为721 ± 12 MPa、827 ± 21 MPa和22.2 ± 2.1%。在77K时，屈服强度、抗拉强度和总延伸率分别为920 ± 8 MPa、1220 ± 10 MPa和39.2 ± 4.9%。值得注意的是，C-HEA在低温下的均匀延伸率（38.9%）是室温下的两倍多（14.7%）。

(a) 工程应力-应变曲线(b) 工程硬化率，以及C-HEA在298 K和77 K下真实应力与真实塑性应变的关系

3. C-HEA在低温变形期间的变形机制

通过EBSD图像质量（IQ）图观察了在低温和室温下预应变样品的微观结构演变。在77K时，C-HEA在变形的早期阶段积极演变变形孪晶，而在298K时变形的样品中几乎找不到微观束状孪晶。由于孪晶比位错滑移更难启动，流动应力应超过临界孪晶应力才能启动变形孪晶。临界孪晶应力与金属材料的堆垛层错能（SFE）和晶粒尺寸密切相关。通过降低材料的SFE，临界孪晶应力会降低，而较小的晶粒尺寸会增加临界孪晶应力。

电子背散射衍射（EBSD）图像质量（IQ）图显示了在全局应变为(a, c) 6.3%，(b, d) 12.5%，(e) 18.7%，和 (f) 24.4%时的拉伸样品的微观结构

EBSD 内核平均取向偏差（KAM）图显示了在全局应变为 (a, c) 6.3%，(b, d) 12.5%，(e) 18.7%，和 (f) 24.4% 时的拉伸样品的微观结构

(a) C-HEA在298 K和77 K下的加载-卸载-重新加载（LUR）应力-应变曲线。(b) 根据(a)中每个应变水平的LUR曲线的滞后环，计算出的真实塑性应变函数的有效应力和背应力的演变。

抗拉强度与总延伸率的对比图，展示了激光粉末床熔融加工的C-HEA在298 K和77 K下的性能，与之前报道的LPBF加工的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）的性能对比

本研究系统地研究了LPBF C-HEA的低温拉伸行为，并在不同长度尺度上进行了微观结构分析。LPBF打印的样品显示出分层异质微观结构。特别是，少量碳的添加促进了LPBF C-HEA中纳米级Cr23C6碳化物在细胞边界的精细分布。拉伸测试显示，当温度从298 K降低到77 K时，样品的强度和塑性同时增加。

这项研究为增材制造中的合金设计提供了潜在的指导方针，以生产具有优异承载能力的高性能产品，用于低温应用。此外，这项工作的更广泛意义在于合金在从液氮温度到极低温度的各种温度范围内的潜在应用。根据不同应用的具体温度要求，可以通过控制碳量或LPBF工艺参数来控制微观结构，从而适应LPBF合金的拉伸行为机制。从这项研究中获得的见解也将促进LPBF材料在未来极低温度下的应用。