DfAM专栏 | DLM-120HT金属材料高通量制备平台助力新材料研究

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材料高通制备技术发展背景


21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。随着科技发展日新月异,对新材料的需求也越来越多,这就需要快速研制出更多满足需求的新材料。传统的材料研究和应用周期较长,已经不符合当前新材料研发的需求。因此为了使新材料研发更省时,更经济,急需新的新材料研究及制备方法。
图1 各种新材料开发需求

图灵奖得主,关系型数据库的鼻祖Jim Gray(吉姆-格雷)在2007年加州山景城召开的NRC-CSTB大会上,提出将科学研究分为四类范式(Paradigm,某种必须遵循的规范或大家都在用的套路),依次为实验归纳,模型推演,仿真模拟和数据密集型科学发现(Data-Intensive Scientific Discovery)。其中,最后的“数据密集型”,也就是现在我们所称的“科学大数据”。因此未来新材料的开发更多的会以海量的数据作为基础,这也是当前发展“材料基因组”工程的重要原因,“材料基因组工程”以前所未有的大量数据为基础,将人工智能数据技术与高通量计算、高通量制备、高通量表征等新技术深度融合,更快、更准确的获得 成分-结构-工艺-性能间 的关系,从而实现对先进新材料及工艺进行设计预测,更快的获得所需的材料。2016年开始,我国首次将材料基因组工程与技术列入国家重点研发计划。
图2 科学研究的四种范式

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金属材料高通量制备技术


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3 金属材料高通量制备方法总览

基于此,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金属材料高通量增材制备设备。
图4 DLM-120HT金属材料高通量制备平台

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5 DLM-120HT金属材料高通量制备平台技术路线

DLM-120HT金属材料高通量制备平台具有以下特色:
1、混构打印
能实现不同金属粉末的混构打印,可自由设计成分过渡,加速新材料研发过程且可制备对不同部位有不同要求的梯度材料金属构件,提高构件性能、延长使用寿命。
2、高性能
拥有精确控量的送粉器、自主知识产权的高效粉末混合装置和高效、快拆、易维护的粉路系统,快速实现试样制备。
3、高灵活性
自主研发的APRO控制系统结合高度模块化的主机设备,可实现传统3D打印模式和高通量制备模式的自由切换,实现全自动、高效的样块及零件制备过程。


图6 DLM-120HT金属材料高通量制备设备特点

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金属材料高通量制备解决方案


1.材料成分设计
基于材料热动力学计算在开展新材料研发前进行相图计算、扩散动力学模拟、析出动力学模拟及组织场计算等,基于计算结果来进行材料成分设计。
图7 材料热动力学仿真分析
 
2.打印工艺仿真
借助有限元分析软件来进行基于SLM工艺的打印工艺仿真,对打印过程的温度场、变形和应力进行分析,并开展变形补偿设计、预测刮板碰撞及工艺参数优化。
图8 打印工艺仿真分析

3.开展基于SLM工艺的高通量制备
采用DLM-120HT金属材料高通量制备平台按照设计成分及工艺开展高通量制备,快速制备出大量符合后续性能测试要求的试样。
4种材料,48种工艺/16种材料,16种制备工艺
图9 DLM-120HT金属材料高通量制备平台所制备的样品展示

4.开展性能测试
针对所制备的样品开展相关性能测试,包括密度、硬度、力学性能、组织及成分等,快速得到所需的性能参数。
图10 相关性能测试项目

5.进行设计成分及工艺参数优化
基于前期所设计的不同成分数据、不同制备工艺数据以及测试得到的相关性能数据开展敏感性分析及参数优化工作,分析得到影响最终合金样品性能的成分参数或工艺参数,并得到最优的成分配比和制备工艺。

图11 参数优化分析

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结论


新材料的研究,是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。材料创新已成为推动人类文明进步的重要动力之一,也促进了新技术的发展和产业的升级。DLM-120HT金属材料高通量制备平台可以加速金属新材料研究的步伐,为我国新材料的研究添砖加瓦。

—作者—


谢琰军
材料物理与化学专业,博士学位,多年材料及增材制造领域研发经验,参与并实施多项金属增材制造科研课题及相关技术开发工作;目前主要从事增材制造设备及工艺相关的仿真及咨询工作。