2022年新加坡激光增材制造

來源：絲路印象 2024-07-19 17:34:02 瀏覽：1068 收藏

當(dāng)前的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料具有平衡強(qiáng)度-延展性相悖問題的巨大潛力，但也面臨著異質(zhì)區(qū)分布和力學(xué)各向異性的挑戰(zhàn)。本研究探索了具有非層狀空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料
(SHM) 的激光輔助增材制造 (LAAM)，大幅度增強(qiáng)整體性能。事實(shí)證明，開口間距 (h)
對SHM的微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能有顯著影響，它影響層厚度和相互稀釋區(qū)域。在多尺度上評估了SHM的機(jī)械性能。h為1.5 mm的樣品具有約1.6
GPa的高抗拉強(qiáng)度和8.1%的斷裂伸長率，顯示出良好的強(qiáng)度-延展性組合。與文獻(xiàn)中報(bào)道的許多層狀和線性功能梯度材料相比，SHM
的強(qiáng)度要高得多。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了一種新的方法，通過使用多種材料的LAAM，遵循可配置的體系結(jié)構(gòu)，可以開發(fā)具有可調(diào)性能的非層狀空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。絲路印象投資分析新加坡事業(yè)部根據(jù)對新加坡能源市場多年的實(shí)地調(diào)研經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的分析了新加坡激光增材制造。

使用傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)通過改變均質(zhì)材料的化學(xué)成分或微觀結(jié)構(gòu)來克服金屬材料的強(qiáng)度-延展性平衡問題是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。例如，增加碳含量是制造高強(qiáng)度鋼最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法之一，但它可能會導(dǎo)致延展性、焊接性和加工性下降，以及開裂傾向的增加等副作用。具有成分、相和微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的材料，例如層壓材料、成分、晶?；蚩棙?gòu)分級材料、諧波結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)材料等，往往會導(dǎo)致性能增強(qiáng)。這些雜區(qū)中的相互作用產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。例如，已經(jīng)證明在層壓結(jié)構(gòu)中誘發(fā)的幾種微觀機(jī)制，如裂紋橋接、裂紋鈍化和應(yīng)力重新分布，可以延遲部件斷裂。此外，通過冷軋加工的疊層鋼也突出了不同疊層結(jié)構(gòu)對調(diào)整疲勞性能的能力的作用。目前，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料主要通過冷軋、表面處理（如表面機(jī)械磨損處理（SMAT）、噴丸處理等）、物理/化學(xué)氣相沉積和粉末冶金來加工。然而，這些方法在控制異質(zhì)區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)和分布方面面臨挑戰(zhàn)，或者在組件的尺寸和幾何形狀方面受到限制。因此，缺乏通用且成熟的加工方法來制造具有可配置架構(gòu)的塊狀空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

根據(jù)絲路印象投資分析新加坡事業(yè)部能源電力課題組發(fā)布的《2022-2026年后疫情時(shí)代新加坡能源行業(yè)投資前景及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，增材制造(AM)的最新進(jìn)展為加工異質(zhì)金屬材料提供了一種新方法。現(xiàn)有關(guān)于AM異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的文獻(xiàn)主要可分為四類：（i）材料A直接在材料B上的AM，例如銅合金基板上的馬氏體時(shí)效鋼的AM。在這種情況下，界面可能會出現(xiàn)從材料A到B的急劇過渡；由于物理和冶金不匹配，裂紋很容易在界面中萌生。(ii)材料A在材料B上的AM，材料C作為中間層，可以緩解界面失配，因?yàn)橹虚g材料C通常在材料A和B之間具有良好的相容性。此外，中間層還抑制脆性相（金屬間化合物或金屬碳化物）在結(jié)合區(qū)域形成并提高兩種材料之間的親和性。值得注意的是，中間層可以在激光工藝期間原位形成，而無需在A和B之間沉積另一種材料。(iii)材料A和B的AM，兩種材料的重量百分比梯度變化，這允許更平滑的過渡在材料A和B之間的機(jī)械性能方面。（iv）材料A和材料B的AM沉積交替形成層狀結(jié)構(gòu)，例如交替的Inconel625合金和316L不銹鋼，最近也有報(bào)道。

然而，上述四種由增材制造處理的多材料系統(tǒng)都具有層狀結(jié)構(gòu)的特征，即僅沿一個(gè)方向的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這些層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)背后的加工方法和設(shè)計(jì)動機(jī)可能受到AM工藝的逐層沉積性質(zhì)的限制。這些異質(zhì)材料系統(tǒng)無法充分利用增材制造在復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造中的獨(dú)特優(yōu)勢。此外，它們還傾向于表現(xiàn)出各向異性的機(jī)械性能，這在研究和工業(yè)應(yīng)用之間造成了差距。

在此，新加坡制造技術(shù)研究院譚超林等人探索了使用激光輔助增材制造(LAAM)將兩種金屬材料沉積成一個(gè)部件，以形成具有可配置架構(gòu)的空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料(SHM)。研究了工藝參數(shù)對空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。研究了兩種材料之間的微觀結(jié)構(gòu)演變和潛在的強(qiáng)化機(jī)制。此外，還監(jiān)測了原位變形行為，并討論了斷裂機(jī)制。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了使用增材制造促進(jìn)具有空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多材料的數(shù)字化制造以規(guī)避材料特性的權(quán)衡和增強(qiáng)功能的能力。相關(guān)研究成果以題“