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3D打印耐高温高熵合金—西安交通大学

2018-03-27

基本原理
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? ? ?传统合金是以一种元素为主体(含量超过50%),例如铁基合金、镍基合金,铝合金等,高熵合金则是多主元合金,一般每种不超过35%,由于多主元的设计从而导致整个合金体系的熵值较大,因而称其为高熵合金。

高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能:
  1. 高强度
  2. 高硬度
  3. 高耐磨耐腐蚀性
  4. 高热阻
  5. 高电阻

高熵合金四大效应

一、?高熵效应
? ? ? 高熵效应能有效的降低系统的自由能,因而整个系统更加稳定,促进元素间混合形成单一的固溶体而不是脆性金属间化合物。因而高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能,如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等。
\? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?等摩尔比的五种元素混合前与混合后
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二、晶格畸变效应
? ? ?高熵合金存在着严重的晶格畸变,这种畸变效应会影响材料的力学、热学、电学乃至化学性能。会导致高的固溶强化、热阻、电阻等。

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包含6种主要元素的BCC晶格示意图

三、缓慢扩散效应
? ? ?相变取决于原子扩散,其需要组员之间的协同扩散,这种扩散与晶格畸变效应会限制高熵合金中的有效扩散速率,因而容易生成纳米晶以及非晶态,因而其性能会相应的提高。

四、鸡尾酒效应
? ? 高熵合金的“鸡尾酒”效应是指其多种元素的本生特性和他们之间相互作用使高熵合金呈现一种复杂效应。 例如加入较多的轻元素则合金密度会降低,加入较多抗氧化元素则合金的抗氧化性会提高,加入较多高熔点元素的话则合金的耐高温性能会相应的提高。

市场环境

? ??3D打印能够在无模具的条件下进行非常复杂结构的金属与非金属高性能零件的快速成型制造、加工和修复,且综合性能与传统制造技术生成的零件性能相当,因此3D技术越来越多地被应用于航空发动机和地面燃气轮机等复杂叶轮机械的生产制造过程中。

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目前在航天航空中最为广泛应用的为Inconel718,其强化机制主要有三种:固溶强化、第二相强化、以及细晶强化。
?1. Inconel718、钴基高温合金以及最先进的单晶Renen 5合金都固溶了Mo、Cr、W、Ti、Ta、Nb等固溶强化元素;髙熵合金正是由于形成单一的固溶体来强化其性能。
?2.高熵合金由于其缓慢扩散效应会产生纳米相以此达到第二相强化的效果。
?3.3D成型由于成型时间短,凝固速度快因而形成的组织较为细小,因而会有细晶强化作用。
因而采用3d打印来制备高温高熵合金很好的满足了所需要的组织及性能要求

耐高温高熵合金的工作流程

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项目成果

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