日前，日立制作所和日本東北大學(xué)開(kāi)發(fā)出了利用金屬3D打印機(jī)對(duì)拉伸強(qiáng)度和耐腐蝕性出色的高熵合金“HiPEACE”（Hitachi Printable Extreme Alloy for Corrosive Environment）實(shí)施造型的技術(shù)。與利用金屬3D打印機(jī)的以往方法相比，拉伸強(qiáng)度可提高至1.2倍，點(diǎn)蝕電位可提高至1.7倍（圖1）。用于制造化學(xué)工廠等的設(shè)備部件時(shí)，可延長(zhǎng)設(shè)備壽命、提高運(yùn)轉(zhuǎn)率。
圖1：鑄造、使用金屬3D打印機(jī)的以往方法和新方法在合金組織及特性方面的比較
新技術(shù)使用“粉末床熔融”式金屬3D打印機(jī)，原理是向平鋪的粉末材料照射激光及電子束，使截面形狀熔融并凝固。采用這種方式時(shí)，凝固速度越快，金屬間化合物就越微細(xì)，越能均勻分散，拉伸強(qiáng)度及耐腐蝕性也就更高。
為此，日立和日本東北大學(xué)調(diào)整了造型時(shí)的電子束能量及掃描速度，并將預(yù)熱處理的溫度（預(yù)熱溫度）控制到必要的最低限度。預(yù)熱處理是在用電子束掃描截面形狀使粉末熔融之前，事先向粉末整體照射低能量電子束。如果降低預(yù)熱溫度，就會(huì)拉大與熔融溫度之間的溫度差，從而提高凝固速度。
這樣便可在具備高耐腐蝕性的基體相中均勻分散數(shù)十nm左右的高硬度金屬間化合物。憑借這一點(diǎn)，在使用HiPEACE作為造型材料時(shí)，與利用以往金屬3D打印機(jī)的造型相比，實(shí)現(xiàn)了1.2倍的1300MPa拉伸強(qiáng)度和1.7倍的0.85V vs Ag/AgCl點(diǎn)蝕電位。此次成功試制出了成分偏差少、均質(zhì)且形狀復(fù)雜的部件（圖2）。
圖2：利用新技術(shù)制作的葉輪
化工廠、油井及氣井開(kāi)采設(shè)備等的部件通常曝露在強(qiáng)腐蝕性氣體中，為了確保安全性，要求具備高強(qiáng)度和耐腐蝕性。日立和日本東北大學(xué)著眼于拉伸強(qiáng)度、耐磨損性以及在高溫氧化和酸堿環(huán)境下耐腐蝕性出色的高熵合金，從2014年開(kāi)始開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度高耐腐蝕性部件的制造技術(shù)。
不過(guò)，高熵合金由多種元素構(gòu)成，因此鑄造時(shí)容易出現(xiàn)成分偏差現(xiàn)象。并且其硬度也很高，難以加工。因此，日立和日本東北大學(xué)開(kāi)發(fā)了使用金屬3D打印機(jī)、網(wǎng)眼狀析出高硬度金屬間化合物的技術(shù)，成功將拉伸強(qiáng)度提高到了鑄造的1.4倍。此次，為了獲得實(shí)用化所要求的更高的拉伸強(qiáng)度和高耐腐蝕性，改進(jìn)了利用金屬3D打印機(jī)實(shí)施造型的技術(shù)。
今后雙方將瞄準(zhǔn)實(shí)用化，推進(jìn)實(shí)際使用環(huán)境下的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。此次的新技術(shù)預(yù)定在2月14～18日于美國(guó)田納西州舉行的國(guó)際學(xué)會(huì)“TMS (The Minerals, metals & Materials Society)2016”上發(fā)表。
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