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LPBF制造的Mo-TiC復合材料合金可用于航空航天

江蘇激光聯盟導讀：
鉬及其相關合金由于熔點高，與氧氣的反應性和脆性而難以通過傳統制造進行加工。近期，科學家們發現鉬-碳化鈦在用電子束粉末床熔融法生產時可以無裂紋且致密，他們的發現表明了該材料在增材制造中的可行性。

難熔金屬鉬（Mo）具有誘人的高溫特性，包括較高的熔點（2896 K）、低的熱膨脹系數和良好的導熱性、強度以及對許多液態金屬的耐蝕性。因此，鉬是從航空航天到能源轉換應用的產品所需要的，特別是對于熱傳遞和超臨界CO2組件引起了人們的興趣。然而，加工鉬是具有挑戰性的，因為該材料通常具有較差的延性-脆性轉變溫度 (ductile-to-brittle transition temperature, DBTT) ，其中DBTT和可成形性對氮和氧的間隙污染極為敏感，這些間隙污染會偏析到晶界并導致晶界開裂。改變鉬性能的策略包括與其他金屬合金化、添加碳和穩定的碳化物(如碳化鈦)以控制再結晶和晶粒尺寸、清除有害的空隙和提高高溫性能。

避免Mo成形性問題的一種潛在的加工途徑是通過增材制造直接生產近凈形狀的幾何形狀。關于Mo與Mo的AM的研究報道很少。但是，使用Mo的粉末床激光熔化 (LPBF) 的研究表明，生產高密度、無裂紋產品是困難的。與Mo的AM相關的加工問題被認為是致密化、在韌性到脆性轉變溫度附近的熱循環以及與粉末原料高比表面積有關的間隙污染。

但是，來自美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的科學家在用電子束粉末床熔融法生產時，發現鉬-碳化鈦也可以無裂紋且致密。他們的研究成果2020年11月發表在Additive Manufacturing for Energy Applications上，題目為"Additive Manufacturing of Pure Mo and Mo?+?TiC MMC Alloy by Electron Beam Powder Bed Fusion"。

LPBF制造的Mo-TiC復合材料合金可用于航空航天
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圖1.（a）定制的生成室和輔助進料器，以及（b）Mo-Mo+TiC-Mo三明治樣品的示意圖（在線彩色圖）
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▲圖2. 在MA（e，f）混合8小時后，Mo（a，b），TiC（c，d）和Mo + TiC粉末混合物的SEM圖像和體積粒度分布。典型MA顆粒（g）的橫截面的反向散射SEM圖像，以及Mo元素（綠色）和Ti元素（紅色）的EDS組合圖（h），展示了嵌入到Mo粉中的單個TiC顆粒。請注意，SEM圖像的放大倍率會有所變化，以突出顯示每種粉末的特定形態特征（在線彩色圖）
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▲圖3.（a）SEM圖像顯示在樣品的純Mo區域觀察到的典型孔隙率。EBSD反極圖圖顯示（b）垂直于加工方向（IPF Z）和（c）沿加工方向（IPF Y）的晶粒取向（在線彩色圖）
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▲圖4. Mo-TiC熔融區域內的混合微觀結構展示了（a）MA和樹枝狀結構區域，（b）MA與離散的TiC顆粒混合，（c）離散的TiC與Mo，以及（d）共晶結構為共晶和樹枝狀結構（顏色在線圖）。
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▲圖5. 固態Mo-TiC區域內的選定代表性特征顯示（a）混合結構在1000×處的SEM，以及（b）具有離散TiC顆粒的Mo基體，（c）共晶結構和（d）樹枝狀Mo具有樹枝狀的Ti和C以及精細的層狀TiC區域，具有非常小的離散TiC顆粒（在線彩色圖）
研究人員通過機械合金化方法生產鉬 (Mo) + TiC的金屬基復合粉末，并通過電子束粉末床熔融與純Mo粉末形成夾心結構用于增材制造。Mo + TiC固相層形成了Mo與離散的TiC顆粒，共晶Mo + MoTiC和Mo樹枝狀晶體的混合結構。熱力學模型表明，該系統在所用的組成范圍內具有不變的共晶反應，并表明該系統對組成和溫度的變化高度敏感。

該結果表明，用機械合金化方法的金屬基復合材料粉末制造是可行的。由熔融粉末形成的結構可以承受高溫，這表明鉬及其合金可以用于航空航天和能量轉換應用。
【LPBF制造的Mo-TiC復合材料合金可用于航空航天】
本文來源：Christopher Rock et al. Additive Manufacturing of Pure Mo and Mo + TiC MMC Alloy by Electron Beam Powder Bed Fusion, JOM (2020). DOI: 10.1007/s11837-020-04442-8

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