3D打印技术的优缺点 l 3D打印HEA高熵合金：微观结构和性能综述

高熵合金 (HEAs) 是一种很有前途的多组分合金，具有新颖的微观结构和优异的性能的独特组合。然而，通过传统方法制造 HEA 仍然存在一定的局限性。3D打印-增材制造的 HEA 具有优化的微观结构和改进的性能，近年来增材制造 (AM) 技术在生产 HEA 中的应用呈显着增长趋势。

发表在《Materials&Design》上的论文《Additive manufactured high entropy alloys: A review of the microstructure and properties》总结了迄今为止报道的增材制造 HEA 的微观结构特征、机械性能和一些功能性能，提供了对该研究领域的基本了解。

本系列谷.专栏，3D科学谷将与谷友共同来领略该论文分享的内容，内容包括四大部分，第一部分简要回顾了AM-增材制造技术在开发HEA方面的特点，第二部分关于微观结构，包括相对密度、残余应力、晶粒结构、织构和位错网络、元素分布、析出物以及后处理对微观结构演变的影响，第三部分是机械性能，包括硬度、拉伸性能、压缩性能、低温和高温性能、疲劳性能、蠕变行为、后处理效果和强化机制分析。最后第四部分讨论了增材制造的 HEA 的新兴功能特性，即耐腐蚀性、氧化行为、磁性以及储氢性能。

3D打印HEA合金

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新技术“赋能”新材料开发

HEA高熵合金最初被定义为包含五种以上主要元素的合金，每种元素的浓度在 5% 和 35% 之间。最近，HEA 的概念已扩展到具有四种主要元素的合金。HEA 背后的基本机制是通过焓和熵之间的平衡来最小化吉布斯自由能。

高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨、耐高温、抗辐射以及软磁性等等优点，都是高熵合金得以被市场认可的原因所在。尤其是在高温、高压、高速等极限环境下，高熵合金制造成的金属零部件可以维持较好的力学性能。此外在恶劣的气候环境、腐蚀性溶液、强动态载荷条件下，高熵合金的性能都表现极为优异。由此高熵合金在海洋工程、核工业、发动机工业、硬质刀具工业都有着广泛应用空间。

多组分HEA高熵合金通常是通过传统的感应熔炼或真空电弧熔炼然后浇铸生产的，这需要反复重熔以实现化学均匀性。在 10–20 K·s-1 的冷却速率下，传统铸造在 HEA 的制造过程中通常会导致明显的相分离，其中通常需要后处理工艺来进一步调整微观结构以获得所需的性能。此外，通过传统制造路线生产均质块状合金所需的内在复杂性方面的控制能力仍然充满挑战。因此，迫切需要开发有效和高效的技术来制造这种新型合金，而3D打印-增材制造 (AM) 方法可以产生快速冷却和凝固速率，并能够成就零件复杂的几何形状以及高自由度的设计，这为HEA高熵合金这种高性能工程材料的生产带来了巨大潜力。

高熵合金在海洋工程、核工业、发动机工业、硬质刀具工业都有着广泛应用空间

根据《国家着手制定的增材制造高熵合金粉检测指标》一文，采用3D打印-增材制造技术制备的高熵合金零部件，其晶粒细小、组织成分均匀，可以有效解决传统制备高熵合金材料结晶组织粗大，内部易形成疏松和成分偏析的弊端，还可以大幅加快新品开发速度和响应时间，促进高熵合金在各个领域广泛应用。

中熵合金的应用

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各有千秋的3D打印技术

目前有几种3D打印-增材制造技术可用于金属材料的制造和生产，主要包括选区激光熔融（SLM）、激光熔覆（LMD）、电子束熔融（EBM）和电弧增材制造（WAAM）的方法。

选区激光熔融（SLM或LPBF) ，是目前应用最广泛的基于粉末床的增材制造技术。在选区激光熔融过程中，激光束用于将金属粉末熔化并融合在一起。一层薄薄的粉末均匀地分布在基材或先前沉积的层上，随后激光束根据扫描路径熔化并融合粉末颗粒。

对于 SLM 技术，必须仔细调整几个工艺参数，主要是激光功率、激光扫描速度、层厚、孵化距离和扫描策略，以制造具有优化微观结构和性能的无缺陷零件。根据所用金属粉末的反应性，SLM 工艺通常在充满惰性气氛（如氩气或氮气）的封闭室中进行。此外，构建室还受到过压条件的影响，这两者都有助于最大限度地减少制造过程中的氧气污染。目前在 SLM 过程中可以实现从 104 到 106 K·s-1 的高冷却速率，是市场上研究开发HEA高熵合金普遍使用的一项3D打印技术。

与 SLM 技术相比，LMD激光熔覆3D打印技术提供了更高的沉积速率，并允许3D打印大尺寸的大块样品。需要注意的一个问题是，由于在此过程中某些元素的蒸发，生成的化学成分可能会偏离起始粉末成分。

根据3D科学谷的市场观察，LMD激光熔覆3D打印技术方面，国际上InssTek开发了MX-Lab可用于设计HEA高熵合金，通过MX-Lab开发，易于更换元素，可超过 5 个元素，易于改变比例，具有准确的送料器。

EBM 工艺在高真空气氛中进行，通常可以避免制造部件的氧化。在 EBM 过程中，需要预热粉末床，以防止由残余热应力引起的构建部件的结构变形，这将影响冷却速度和制造部件的最终微观结构。此外，在构建部件的尺寸和点阵晶格结构中胞元的最小尺寸方面存在限制。

与上述基于金属粉末的增材制造技术本质上不同，WAAM 采用电弧作为热源，金属填充丝作为原料，被认为是一种具有成本效益的技术。在 HEA材料的 WAAM加工过程中，考虑到所需的成分，通常使用市售金属线的组合电缆作为原材料，可以将其完全熔化，以避免在应用基于粉末的 AM 方法的情况下由于未熔合的粉末而导致材料损失。此外，WAAM还具有沉积速率高、设备和材料成本低的优点，使其适用于大型金属部件的生产。

因此，最近WAAM 已成为一种有前途的 HEA 增材制造方法。然而，使用 WAAM 制造金属部件也会导致诸如亚光学表面质量差、尺寸精度不足以及由于剧烈的熔池相互作用而导致的偶尔低密度等缺点。此外，WAAM 相对较慢的冷却速度和较大的热源点可能会导致较大的残余应力，从而致使制造零件的变形。

上述增材制造过程中的快速凝固可以限制成分偏析和脆性金属间化合物在构建部件中的形成，通过晶粒细化有助于强化效果，值得注意的是，以前的一些 AM-增材制造的研究主要集中在 HEA 涂层，在这里，重点介绍了由 AM-增材制造技术制造的块状 HEA 的微观结构和特性。

更多深入分析3D打印HEA材料的分析，请持续关注后续内容，下期将聚焦介绍3D打印HEA材料微观结构层面上密度、残余应力、晶粒结构情况。

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