麻省理工学院《Nature》子刊：控制显微组织！用于烧结的多组分合金

导读：粉末烧结是增材制造领域许多新产品的低能耗、净形状加工路线。 麻省理工学院材料科学与工程系 Yannick Naunheim和Christopher A. Schuh提出，对于未来的制造，合金应该从材料科学原理设计，在较低的温度下快速烧结，并控制最终的显微组织。 他们说明了多元镍基合金的计算设计，其化学性质允许低温固态烧结方案，无需任何压力或现场辅助，以及烧结后的热处理性。该策略是基于设计在烧结过程中发生的顺序相演变。这些反应涉及到物质在 1200°C的循环中快速重组到全密度，而传统的Ni合金在固态中烧结需要大约10倍的时间，或者超过250°C的高温。他们的方法产生的合金受益于沉淀硬化，其强度比固态加工的商用Ni合金高50%，并且具有超过35%单轴应变的广泛塑性。 研究结果为许多其他用于固态粉末加工的合金提供了可推广的设计方案，这些合金可以从增材制造中获得更大的价值 。

烧结 是一种越来越有吸引力的替代传统的金属加工路线，如熔融铸造和加工，因为它允许更多的 几何灵活性，避免熔化 。在增材制造环境中，这可以降低加工温度，减少内应力发展，并可能更广泛地控制微观结构。然而，烧结通常也 需要很长的时间 -温度循环来有效地去除足够的孔隙度以实现机械活力，这反过来会促进不适当的晶粒生长或相演化 。与其他粉末路线相比，绿色车身打印产生的绿色密度和颗粒配置也不同 (通常较低)，因此对3D打印生产复杂部件的烧结过程的期望更高。因此， 目前基于烧结的增材制造的快速扩张需要基于新材料科学的方法来应对这些挑战 。

考虑到粉末冶金特别是增材制造的发展轨迹，研究人员看到了 现有的合金被推入新的加工模式，而它们并没有被优化。结构合金的一些例子包括粘结剂喷射和烧结的英氏，尽管在其固相温度附近烧结，其相对密度仅达到 75%，或类似的316 L钢的工艺，即使烧结到熔点，其密度也仅达到85%。 在这两种情况下，完全密度只能通过烧结到液化范围 (超固相烧结)来获得，由于半固态结构的塌缩和变形，这给形状保持带来了新的挑战。

除了这些例子之外，通常情况下，需要付出相当大的努力来处理将标准合金引入可加性范式的复杂性。在熔融 -凝固-再加热循环(如激光制造)的情况下，一些研究人员 已经开始专门设计适合新的加工路径的合金，但这种方法尚未应用于烧结 (未熔化)合金。合金设计方法导致了新材料的发展，这些新材料克服了许多经典挑战，适用于各种应用。受这些工作的启发， 麻省理工学院材料科学与工程系 Yannick Naunheim和Christopher A. Schu h建议使用现代计算工具来设计低温固态自由烧结可加工的合金。 方法使用材料设计原理来管理粉末合金的相演变，而相演变又依赖于合金热力学，并且可以由合金化学直接控制。更具体地说，合金的化学成分被设计成通过一系列的相演变，加速质量传递，在低温下形成一个相互连接的整体结构，并促进在高温下快速烧结。固结后，合金还被设计成可均质 (在较高温度下完全溶解)和可热处理(在较低温度下双相)，以影响各种显微组织。他们在镍基合金的设计中详细阐述了这种方法。 新设计的合金不仅具有经济生产具有改善机械性能的大型大块部件的优势，而且该方法也可推广到专门为固态部件生产路线设计的其他合金系列 。

相关研究成果以 “Multicomponent alloys designed to sinter”发表在Nature上。

链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-52261-1

图1:纳米相分离烧结示意图。