顶刊综述《Materials Today》通过增材制造进行合金设计:优势、挑战、应用和前景

3D打印科研前沿
2022
01/19
22:16
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来源:材料学网

导读:本文提出的增材制造(AM)技术迅速改变了许多大型和小型行业的生产环境。通过从头开始重新审视零件,不局限于传统制造技术带来的挑战,研究人员和工程师们已经开发了新的设计策略,以解决全球范围内的大规模材料和设计问题。随着定向能量沉积(DED)和基于粉末床熔融(PBF)的增材制造技术的出现,可以以比以往更低的成本和更短的交货时间快速创新和评估新合金。本文详细介绍了主要使用基于激光的增材制造进行合金设计的优势,挑战,应用和前景。工业界和学术界的研究人员可以利用这项工作来设计新合金,并且利用金属增材制造工艺将其用于各种当前和未来的应用。

在过去十年中,金属增材制造(AM)引起了生物医学航空航天能源和核领域制造商的广泛兴趣。 使用传统制造方法无法创建具有独特结构和成分特征的组件的能力,导致工程师和研究人员对实验室规模的材料和结构创新以及大规模零件生产环境的兴趣不断扩大。近年来,我们观察到AM改善了许多不同领域的现有绩效和供应链特征。然而,更重要的是,制造商和研究人员开始向我们展示,将它与传统公认的工艺相比,这项技术表述了如何通过调整整个材料设计-制造工艺来改变未来。

更具体地说,增材制造技术正在改变众多行业不同传统公司的设计和制造结构的方式,以增加复杂性,使其更好的定制和整合,以提高效率和功能。此外,

AM技术的三个最常被引用的原因是(i)原型设计,(ii)产品开发和(iii)创新。表明公司在AM的产品的未来开发方面投入了大量资金。最近的几篇评论指出,增材制造知识产权(IP)的转变和特定领域的"碎片化"引出个人研究如何在十年内变得更加集中,从而改善材料设计和制造领域的未来。 此外,AM向世界表明,以面罩,呼吸器和其他必要物品的形式对COVID-19等全球流行病做出快速反应是可能的。与过去不同的是,材料开发和制造不再是严峻形势下设计制造的瓶颈。

特别是在金属材料方面,增材制造已经改变了我们设想用于特殊应用的新合金的方式。基于AM独特的处理能力,该领域的新发展是该领域下一波创新浪潮中最令人兴奋的方面之一。在激光AM(LAM)的理想特性中,高冷却速率以及从元素粉末中熔化和成型组件的能力传统上需要高温电弧熔化设施以及随后的加工步骤。

基于增材制造的显著优势,华盛顿州立大学机械与材料工程学院结合了学术界和工业界的必要见解,从使用金属增材制造合金设计的动机开始,讨论制造商和研究人员面临的主要优势和挑战;也就是说,以前开发的合金并不总是最适合金属增材制造,克服以生产为中心的新材料创新和设计障碍;最后讨论过去和当前在开发新的铝和钛合金、钢合金、高熵合金和磁性合金方面的工作,这些合金表现出比现有材料更高的性能和特性。最后,我们将对未来趋势和所设想的挑战进行批判性审视,包括建模工具和为关键应用开发功能梯度结构。随着与金属增材制造相关的文献迅速增加,制造商需要有一条结合学术界和工业专业人士的见解和观点来采用这项技术的途径。相关研究以题“Heat treatment effects on the hydrogen embrittlement of Ti6Al4V fabricated by laser beam powder bed fusion”发表在国际著名期刊materialstoday上。

链接:https://www.sciencedirect.com/sc ... 9702121004314#f0030

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高价值、复杂的部件,如生物医学植入物、航空航天发动机部件、核反应堆部件等(见图1),图1显示了通过LAM生产生物医学部件的几个示例,如果使用传统加工方法进行加工或铸造将具有挑战性或过于昂贵。图1b显示了这方面的一个例子,其中将设想从新的或现有的材料中形成一个块状部件,针对几何形状的特定设计优化,以及为最终用户量身定制的新合金的特定地点特征。这些调整可以通过测试活动或过程监控来定义,并辅以基于机器学习的程序,这些程序可以帮助基于可测量的属性和过程指标进行处理优化和可靠性,以了解加法过程的输入。这些类型的应用程序促使人们投入大量资金来开发添加剂的生产方法,以降低许多行业的总体成本和供应链复杂性。

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图1.当前使用基于激光的增材制造的合金设计方法的示例。(a) 将合金设计纳入制造过程的一般工作流程。(b) 标准生物医学螺钉应用所述工作流程的实施示例。
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图2.使用传统方法和主要基于金属的AM方法(定向能沉积(DED)和粉末床熔融(PBF))的合金设计方法的比较。
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图3.基于定向能量沉积(DED)和粉末床熔融(PBF)的增材制造方法。
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图 4.使用合金设计项目的示例:(a)利用多粉末喂料机设计的DED,以及(b)利用不同参数集产生可变微观结构和性能的PBF技术。
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图5.铁基和镍基合金的合金设计特点示例。(a) Cr–Si–B改性镍基合金微裂纹的扫描速度影响示例,。(b)基于液滴的模拟示例,以了解冷却速率在基于激光的AM期间对Ni-Cr-Si三元系统所产生微观结构的影响。

目前在增材制造领域有两种关于合金设计和开发的研究方向。一是将传统合金转化为增材制造可接受的合金,二是发现新合金。增材制造的很大一部分人寻求在更大的制造业中寻找工艺接受度。有针对特定应用和演示目的的有据可查的成功案例,但金属增材制造零件在纳入最终用途产品方面的成功有限。在传统制造领域,增材制造工艺本身并没有被证明足够强大,无法纳入最终用途产品。使这个问题更加复杂的是关于 AM 合金设计允许值的信息有限,并且普遍缺乏工业应用中组件认证所需的材料数据。为此,许多资源一直致力于在增材制造工艺范式中开发和验证经过行业验证的传统合金,而不是为新兴和令人兴奋的应用开发新合金。

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图6.合金设计的例子正在用于铝基材料的开发。(a) 示意图显示了孕育剂相在凝固后对所得等轴微观结构的影响。(b) 通过计算和Al-Ce类合金开发实验预测的结果微观结构。
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图7.通过AM开发钛基合金的例子。(a)铜改性钛对柱状至等轴晶粒结构的影响。(b)超声波振动对基于DED的钛合金加工中晶粒细化和柱状结构还原的影响,显示缺乏纹理和等轴微观结构。
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图8.使用AM的合金设计中新颖的多材料概念。(a)应用DED设计Ti-Ta合金,以增加生物相容性和平衡在微观结构中加入钽的加工性挑战(b)使用线基DED的多材料AM组合电缆概念。
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图9.下一代功能分级材料(FGM)的示例以及通过可变加工策略实现此类结构的相关努力。(a)Ti–6Al–4V/Al12Si 接头的加工。(b)由Ti–6Al–4V和SS410制造的双金属结构。(c)在铬镍铁合金718上沉积铜合金。磁性-非磁性接头由不同的不锈钢制成。
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图10.金属-陶瓷复合材料开发实例。(a)层状金属-陶瓷复合材料。(b)钛制氧化铝(铝)2或3)结构。(c)使用DED的金刚石增强切割工具设计。

总结:增材制造(AM)迅速改变了许多行业的大规模和小规模生产环境,并为重新构想新兴应用的合金设计开辟了机会。随着定向能沉积(DED)和基于粉末床熔融(PBF)添加剂的加工的开始,可以以比传统方法更低的成本快速设计和评估新合金。这项工作概述了使用激光AM(LAM)实现合金设计的方法和机制,即欲混合动态方法中的DED和PBF。此外,还讨论了使用不同方法的优势和挑战,以及工业和文献中发现的不同材料系统和策略,例如镍,钛和铝合金。最后,讨论了未来的挑战和新兴趋势,例如仿真,以提高加工可靠性,并为特定应用开发功能梯度材料和结构。据设想,行业和学术研究人员将引领未来的合金设计工作,在许多应用中利用LAM的优势。



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