高熵合金於3D列印的應用

 

刊登日期:2019/1/5
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高熵合金為我國清華大學葉均蔚教授研發之材料,其展現出高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨耗和耐高溫等不同的優越特性,促使高熵合金材料突破傳統合金材料的性能及使用壽命限制,開創了全新的材料研究及應用領域。配合政府5+2產業政策,國防航太與3D列印為發展重點項目,將高熵合金之高功能特性結合3D列印製程技術,先期對應航太產業的需求,達到高值化的產品,未來更可擴延至其他如能源、民生工業,推廣促進高熵合金產業應用化。
 
本文將從以下大綱,介紹高熵合金於3D列印的應用。
‧概論
 1. 高熵合金
 2. 3D列印
 3. 惰性氣體霧化技術
‧高熵合金粉末3D列印成形
 1. 高熵合金粉末製作與分析
 2. 高熵合金粉末3D列印成形
‧結論
 
【內文精選】
概論
金屬材料的發展與經濟成長發展脈絡形成密不可分的特殊關係,我國金屬材料連帶衍生中下游金屬製品產業每年總產值達到兆元以上,為我國重點發展產業。在台灣許多關鍵零組件所應用到的金屬材料主要以仰賴進口為主,高熵合金(High-entropy Alloys; HEAs)材料為台灣原創新材料,其材料性質能夠領先全球之關鍵材料,實具有相對的競爭優勢,若能落實導入金屬產業應用,具有取代現行商品的潛能。依國內產業發展政策,將具高功能的高熵合金聚焦在航太(Aerospace)、民生產業的發展,同時透過國內市場成長性、研發技術能量等指標,推動關鍵應用載具與先進3D列印(3D Printing)製造技術等作為關鍵技術研發項目。
1. 高熵合金
高熵合金是使用多種主要元素的合金材料,高熵合金定義須具有5個以上主要元素(Yeh, 2004),其中每個主要元素都具有高的原子百分比,介於5%至35%,次要元素則小於5%,充分發揮多元素高亂度的效應,藉由每個元素原子的隨機散佈而抑制脆性化合物生成,可使材料得到更強的韌性。高熵效應會促使各元素混合為一種或數個簡單固溶相,使得高溫至低溫的相變化相對單純,晶體結構易形成體心立方(BCC)、面心立方(FCC)與六方最密堆積(HCP),不但容易進行材料分析更具應用性。
 
與傳統合金相比,高熵合金為合金設計帶來新的觀念,具備更多優異的性能,包含耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度等,如圖一所示。換言之,高熵合金大幅提升了合金的性能,其突顯之性能可涵蓋需高硬度且耐磨/耐溫/耐蝕的工具/模具/刀具、鋼管及輥壓筒的硬面、塑膠射出螺桿頭與螺桿、航太零組件、油氣探勘管路、船艦的耐蝕材料等工業應用。
 
3. 惰性氣體霧化技術
因應客製化與複雜形貌精密金屬組件於航太、汽車、醫材與工業之潛在需求,需要有高品質與高流動性金屬粉末材料供應給3D列印製造技術使用。近年來我國有數家廠商(中佑精材、光洋科、鑫科)相繼投入金屬粉末材料開發。
 
3D列印用金屬粉末必須要具備下列特性:①均勻之化學組成;②超低氧含量;③可控制之粒徑尺寸與分布;④優異的粉末流動性;⑤對雷射有良好的吸收性。
 
因3D列印對金屬粉末要求品質相當高,工研院材化所於內部建立25公斤級金屬粉末惰性氣體霧化試量產技術(圖三),針對高熵合金材料,從合金成分設計、高熵合金熔煉製程參數Database建立、噴粉參數建立、粉末品質鑑定及製程可靠度改善等核心技術,促使國內金屬產業朝向高熵合金粉末關鍵材料自主化,並順利跨進3D列印產業。
 
圖三、HEA粉末氣體霧化示意圖
圖三、HEA粉末氣體霧化示意圖
 
高熵合金粉末3D列印成形
1. 高熵合金粉末製作與分析
配合我國產業推動策略,針對適用於航太產業高溫環境用的高熵合金材料進行成分設計。圖四為工研院材化所開發的AlCoCrFeNiSi 和 AlCoCrCuFeNi 高熵合金粉末SEM影像圖,經由氣體霧化技術細化後高熵合金粉末因粒徑小,冷卻速度快,凝固後之粉末呈現球化形貌。透過影像分析軟體進行真圓度分析,粉體真圓度(Aspect Ratio) >0.9; AlCoCrFeNiSi 和 AlCoCrCuFeNi 高熵合金粉末經流動性(ICarr)測試,分別為10.2±0.8%和10.7±0.5%,屬於Excellent等級,代表粉末流動性相當優異。
 
利用DSC熱分析驗證 AlCoCrFeNiSi 和 AlCoCrCuFeNi 高熵合金粉末在1,000˚C高溫環境(在空氣中)之抗氧化特性,從圖五熱分析曲線圖得知,高熵合金粉末隨著溫度增加至600˚C,高熵合金粉末表面開始發生氧化現象,致使重量增加;隨環境溫度增加至1,000˚C,AlCoCrFeNiSi 和 AlCoCrCuFeNi 高熵合金粉末重量分別增加0.54 wt%和0.8 wt%,重量增加幅度不高。此兩種高熵合金粉末材料具有抗高溫氧化能力...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖五、HEA粉末熱分析曲線圖
圖五、HEA粉末熱分析曲線圖
 
作者:周育賢、陳溪山、楊智超/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」385期,更多資料請見下方附檔。

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