金属材料高通量制备技术及应用案例

来源：安世亚太


材料高通量制备技术可以在短时间内制备大量不同成分的新型材料，可以加速新型材料的研发与应用，被列为材料基因组技术的三大技术要素之一。其中金属材料的高通量制备有多种制备方法，但传统的金属材料高通量制备方法制备周期长，制备样品尺寸较小，能源消耗较高。随着增材制造技术的不断发展，采用增材制造技术开展金属材料的高通量制备也得到了迅速的发展，且增材制造高通量制备相较于传统高通量制备技术呈现出了明显的优势：
1）可以快速成型多种材料试样；
2）可以制备毫米级以上的块状样品；
3）研究过程中原材料消耗较少，更经济。

图1 金属材料高通量制备方法总览

安世亚太科技股份有限公司携手钢铁研究总院，基于激光选区熔化技术开发了具有国际领先水平的DLM-120HT（点击链接详细了解设备详情）金属材料高通量增材制备设备。

DLM-120HT是基于异质粉末3D打印的新金属材料开发高通量制备平台。直接利用元素粉末或合金粉末进行激光选区熔化成型，一次打印过程可实现4种粉末、160种材料成分配比的力学性能样件制备，适用于钢铁材料、铝合金、钛合金、 镍基高温合金、高熵合金等金属新材料的成分筛选、性能研究以及梯度材料的研究。

图2 DLM-120HT金属材料高通量制备平台技术路线

在2021第四届增材制造全球创新应用大赛中，DLM-120HT高通量增材制备平台获得了特别贡献奖。

图3 DLM-120HT金属材料高通量制备平台获得

第四届增材制造全球创新应用大赛特别贡献奖

金属材料高通量制备的应用案例
1.新型金属材料快速组合制备及开发
传统的新型金属材料开发流程包括成分设计、合金成分调配、合金制备（熔炼、锻压、轧制、热处理等）及试验表征等环节，需要的制备设备种类繁多，且开发过程中在制备和表征的环节存在着大量的迭代才能开发出一种合适的新型金属材料，因此新材料开发周期较长。采用高通量制备流程就可以在短时间内获得大量的成分与性能之间的关系数据，后续可以根据使用需求筛选少量合金成分进行验证就可以进入到工业应用环节，大大节省的新型金属材料的开发周期。当前该设备已成功用于3D打印高温合金、新概念层状硬质合金、梯度材料、高熵合金、新型复合材料的开发和研究。

图4 金属材料高通量制备 VS 传统金属材料研究

2.增材制备材料成分及工艺快速筛选
我们都知道，当前可用于SLM制备的合金种类数量较少，急需开发大量新型可用于SLM增材制备的合金。但是采用传统的激光选区熔化设备开展增材新材料研发发存在着较大障碍：
1）每开展一次新的成分研究就需要开展该合金的粉末制备，制粉成本较高；
2）需要不断的更换粉末开展研究，而传统激光选区熔化设备粉末更换较为繁琐，且粉路很难清理。

采用本文所述的高通量制备设备开展研发可以很好的解决这些困难:
1）通过少量市场已有的单一粉末或预混粉末的自动混粉实现所需的成分需求；
2）模块化可拆卸的粉路装置方便换粉及设备清理；

因此采用DLM-120HT高通量制备设备可以开展：
1）粉末成分研究及快速筛选；
2）SLM制备工艺研究及快速筛选；
3）粉末类型（不同粒度、球形度、氧含量等）SLM制备研究及快速筛选。

图5 成分及工艺筛选案例展示

3.成分对微观组织影响研究
采用DLM-120HT一次性制备210个不同成分的不锈钢合金试样，成功发现了从等轴晶到柱状晶转变的成分比例，为增材制造用不锈钢合金成分设计提供参考依据，整个制备周期仅为20小时，极大缩短了研发周期和成本。

图6 成分对微观组织的影响研究