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      1. 全球視野——美國發布高熵合金制造分析報告
        2019-06-19 17:01:53 作者:本網整理 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

         高熵合金是由多種比例大致相等的金屬形成的合金,具有許多卓越性能,如抗斷裂能力、抗拉強度、抗腐蝕及抗氧化特性等,為定制滿足不同應用需求的材料提供了變革機會,將“應用已有材料”范式轉移到“按需設計材料”。高熵合金將憑借卓越的材料性能,使其高性能制品在國際市場上具有競爭力。高熵合金還可為制造商提供新的選擇,以生產稀有的、危險的、昂貴的、或受國際限制或具有利益沖突影響的材料的替代品。高熵合金在多個不同領域都具有潛在優勢,不僅可加速經濟增長及提升美國國內競爭優勢,而且還將有助于應對緊迫的社會挑戰。高熵合金主要應用領域包括固態冷卻、液化天然氣處理、抗降解核材料、耐腐蝕熱交換器、高溫能源效率的提升、高性能航空航天材料、超硬彈道、堅固耐腐蝕的醫療設備和磁共振成像技術等。

         

        高熵鋼鐵與傳統鋼鐵相比具有更強的極限抗拉強度和斷裂總伸長率。


        一、美國高熵合金制造業發展面臨的八個挑戰

         

        制造商和高熵合金專家認為美國在高熵合金制造流程、測試、數據以及必要的知識、工具和資源獲取方面遇到了一些挑戰。主要表現為以下 8 個方面:


        (1)工藝限制:從溫度到雜質再到氧化,高熵合金需要面臨獨特的制造工藝挑戰,而傳統工藝如鑄造、熱機械加工、連接和增材制造還沒有克服這些挑戰。


        (2)合金識別:為了快速經濟地制造出滿足需求的合金,研究人員需要用于合金識別、建模和設計的相關工具。但是目前的工具缺乏準確性、速度和可靠性。


        (3)雜質:目前的制造方法不能生產具有所需純度的高熵合金。


        (4)原料和原材料:元素、納米顆粒和母合金的質量不高,或者對于研發人員和制造商來說開發和量產高熵合金的制造成本太高。


        (5)高通量實驗表征:合金的實驗表征從發現到開發再到放大是至關重要的。現有的實驗設備要么不足,要么難以讓研究人員對高熵合金進行表征。


        (6)建模和仿真數據:從理解微觀結構到優化制造過程,數據對于建模和模擬高熵合金是必不可少的。但目前數據尚未集中,數據之間不一致且不能隨時可用。


        (7)中級規模示范:雖然高熵合金制造界在生產小型合金樣品方面取得了進展,但是制造工藝規模化所需的設備卻非常缺乏。


        (8)與行業保持一致:高熵合金制造業界之間缺乏合作,使得高熵合金制造研究與行業需求很難保持一致。資源、工具和數據不能在整個業界中實現很好地共享和使用。


        二、提出的四項可行性建議及相關注意事項

         

        為確保美國高熵合金領域的科學發現帶來新的經濟機會和技術優勢,需要進行戰略投資和協調。本報告為提高美國制造業在高熵合金中的競爭力提出了4 條可行的建議。


        (1)通過投資推動高熵合金制造關鍵技術的轉化研究。主要包括合金識別、熔化、鑄造、熱機械加工與連接、基于粉末線材和涂料的制造、建模等。


        這需要一項多機構聯邦研究計劃,以集中精力推進最有前途的新興制造技術,并解決商業化生產和使用之間的障礙。


        ①合金識別:需要更好的工具來探索高熵合金的廣泛設計空間,以識別具有所需特性的可制造合金。具體的研究主題包括:以多種復雜性和準確性鏈接多保真模型和實驗相關的工具。最優方案是計算密集型模型與快速、低成本的實驗相結合,以適度的時間和成本費用提供適度的準確性和確定性,這就需要研究多保真層之間的連接優化方案同時對數據進行集成;簡化工具以期發現性能優異的合金,連接和集成原有孤立的建模工具和數據集。在考慮了制造因素的同時實現無縫、快速、有效的基于標準的成分和微觀結構空間探索;研制用于識別可制造的耐火合金的工具,以滿足合金獨特的性能要求和制造需求。


        ②熔化:高熵合金的復雜化學成分對熔化提出了獨特的挑戰。具體的研究主題包括:擴展現有熔體工藝的能力,包括熔點高于 1500℃的合金技術,間質合金及具有復雜成分的化學品的處理技術,以及可以提高電磁攪拌均勻性的相關技術;新穎的電磁和定向能量感應,以確保熔融合金具有均勻的化學成分及對不需要的相態進行控制;標準化、更清潔的母合金,可簡化熔化過程并減少雜質;分析工具可將熔體加工參數與雜質積累和夾雜物的形成相關聯。


        ③鑄造:將熔融合金鑄造成最終形狀或鑄錠,以便后續加工。具體研究主題:應擴展熱頂鑄造方法,以解決高熵合金鑄造的獨特凝固途徑和動力學;應該進行流變鑄造,在鑄造中使用半固態合金,以實現鑄造高熵合金的低孔隙率,低收縮率和良好的機械性能;在大溫度范圍內需要高精度冷卻速率控制方法,以在高熵合金鑄造和熱處理過程中嚴格控制凝固路徑,以減少孔隙率、偏析等鑄造挑戰。


        ④熱機械加工與連接:合金通常通過熱處理和機械加工進行精煉,以獲得所需的合金性能。


        存在的不足:尚未全面理解雜質對高熵合金形變的影響;尚未充分研究焊接性和整體性,使其無法為連接技術提供信息;缺乏焊接和連接高熵合金的工藝模型;缺乏高熵合金的熱機械加工策略。


        具體的研究主題:高溫熱軋技術和模具材料,包括允許加工高溫高熵合金的潤滑劑;可增加高熵合金均勻性的熱軋方法;用于高熵合金的可快速啟動和停止“小型軋機”,可快速測試小批量生產的產品質量;理解從熱機械和連接過程中微觀結構的變化,包括焊接,軋制和成形對其產生的影響,以克服傳統加工和連接方法的局限性。


        ⑤基于粉末、線材和涂料的制造:除了解決熔鑄工藝中的挑戰外,還要集中精力研究以下主題:粉末和線材生產工藝的進一步優化,包括新型非霧化粉末制造途徑、表面鈍化方法和霧化工藝,這些工藝在與高熵合金相關的粉末生產方面表現優異。當前對耐火材料和活性顆粒的相關研究比較缺乏,但該項研究卻至關重要;粉末和涂層質量的模型化,包括制造工藝和合金性能之間關系的模擬。研究還應確定適用于增材制造工藝的合金組合;新穎的添加工藝,包括對傳統粉末添加工藝的修改,以及高熵合金的熱、冷噴涂、等離子涂層和機械合金化工藝的優化;能有效控制沉積速率和混合劑量的多種元素濺射噴涂技術。


        ⑥建模:高熵合金的復雜性需要改進現有模型并制定基準模型。具體的研究主題為:與高熵合金相關的制造工藝模型,包括高溫下合金的粘度、擴散性、焊接和釬焊對微觀結構、能量使用、成本和比例定律的影響。可靠的工藝配方,標準的制造實踐和高度的可行性可促進模型向產品過渡;關鍵高熵合金特性和工藝的模型,包括相體和整體微觀結構的穩定性、高溫熱力學、凝固路徑、氧化物形成和 Hall-Petch 強化。應考慮其他結構和制造工藝,擴展現有模型;與制造、微觀結構和性能相關的模型,包括動力學和微觀結構之間的關系,以及所得微觀結構如何改變延展性、斷裂、韌性和蠕變等機械性能。缺陷和微觀結構演變(例如晶格和相穩定性)之間的關系以及由此產生的對機械性能的影響也需要模型。從制造經濟學的角度來看,還需要模型來評估不同的原料雜質水平對合金性能和成本的影響程度;開發和擴展新穎的建模方法,包括改進 PHAseDiagrams 計算方法和工具在高熵合金中的應用,提高準確性,評估不確定性和數據庫響應能力。其他重要的新興建模方法包括密度泛函理論、特殊準隨機結構方法、原子勢方法、空位擴散率、從頭算分子動力學、混合蒙特卡羅 / 分子動力學和相干電位近似。機器學習和深度學習提供了另一條新興路徑,它具有建模高熵合金行為和與各種建模方法集成的巨大潛力;基準模型用于驗證其他模型的準確性和范圍。


        (2)建立國家測試中心,開發新型高通量測試方法,并進行合金發現和表征的高通量測試。重要的進展將包括自動化的大規模并行機械、環境和功能測試,如納米壓痕、自動化 X 射線表征和并行剪切沖壓。該中心將與管理機構合作,制定標準和基準,并通過國家測試合作實驗室,建立和協調材料測試能力。


        從最初的合金發現到模型開發,再到制造過程的改進和驗證,再到零件認證,實驗測試滲透到高熵合金制造過程的所有部分。高熵合金拓寬了材料科學的范疇,同時也拓寬了當前可用的機械和功能測試的局限性。高熵合金獨特的成分復雜性使得難以使用諸如層析成像和 X 射線衍射這樣的傳統工具來評估和表征。目前還沒有用于高通量機械測試的實用的、省時且低成本的方法。


        實現機械和功能測試還存在一些挑戰:


        ①樣品制造:高熵合金研究和制造的利益相關者一直在尋求可以消除樣品測試不確定性的合適的測試方法;②尺寸規模:實驗方法不能提供高通量實驗所需的小尺寸測量,特別是拉伸強度和延展性等關鍵性能領域的測量。機械性能對長度尺度敏感,克服此挑戰可以增進對材料性能的全面理解;③復雜性測試:很難測試高溫環境中合金的復雜載荷,與環境相互作用等性能;④高通量測試方法:預測相平衡階段和相圖的高通量計算能力正在迅速發展并且已經取得了長足進步,但一些嚴重的材料缺陷仍然需要高通量實驗來評估。由此關鍵數據的缺失將繼續阻礙建模、模擬及合金識別的相關進展。


        高通量測試領域發展存在的不足之處為:缺乏可同時測量合金強度和延展性、蠕變、疲勞、斷裂韌性、彈性模量和平行韌性轉變溫度(DBTT)的測量方法;還需進一步研究徑向分布函數(RDF)的有序性和合金結構,以及中等規模合金的同質性測試,優化材料的化學和微觀結構;了解合金對高溫、快速氧化測試及對輻射的響應能力;改進對合金的熱,電,磁和磁熱等性能的測量方法。


        ⑤標準化:測試和結果數據不一致,缺乏共同的分類法和不同利益相關者之間通用的語言。此外,缺乏關于這些復雜合金的化學驗證的可靠標準。


        需要注意 9 個領域的發展:薄膜的高通量測量與塊體材料特性的相關性;低溫測試與高溫測試的相關性,以此實現性能提升的同時降低成本;與實現批量生產性能相關的常見測試方法的不確定性分析;用于測試的通用分類法和語言以及高熵合金的結果數據;高熵合金的化學驗證標準;用于認證和驗證高熵合金的無創評估結果的標準;建立原料(粉末和線材)的標準并明確其定義,以確定產品的關鍵參數;實現自動化的標準化測量;為高熵合金制造流程建立基準。


        (3)為高熵合金數據建立中央數據庫。包括合金性能、制造工藝、參數和模型的理論和實驗數據,以最大限度減少重復工作,并加速美國研究人員和制造商創新。


        建立包括合金屬性,制造工藝和參數以及模型理論和實驗數據的高熵合金中央數據庫。驗證并組織從公共和私人利益相關者處收集得到的數據,然后將其提供給美國研究人員。


        建立數據庫的必要性或作用有以下幾點:①避免重復工作:避免每個研究小組為了解該領域的發展狀況而進行冗余的文獻綜述;②擴展分析方法:增強使用高級分析(如機器學習)方法來提升高熵合金設計的能力;③改進復雜分析模型:只能從綜合數據分析中發現合金的物性變化趨勢,強化機械建模功能對于相圖的化學和熱力學數據非常重要;④考慮不利的結果:不總是公布不利的結果,但它們對于推進該領域發展和確保有效的資源分配至關重要;⑤促進領域發展:數據通常通過實驗和設備(例如同步加速器)以高速率生成,并且分析必須保持同步,得到的分析結果有利于促進該領域的發展。


        建立數據庫主要包括搜集數據、數據的驗證、數據的組織及獲取等四個部分。


        (4)通過降低先進制造方法、表征工具和計算能力相關聯邦設施和專業知識的獲取門檻以加強合作。實驗室之間以及工業界和學術界之間的合作將推動高熵合金的商業化生產。此外,成立一個跨學科的工作小組加強協作,就制造技術路線圖、研究重點、標準、知識產權、技術轉讓等問題提供實時信息,以促進領域發展。


        建立咨詢組。建立咨詢組是促進高熵合金在多個領域發展和商業化的理想方法。咨詢組將協調資源分配,并提供一種機制來識別和關注共同的競爭前挑戰。


        建議首先組建一個行業范圍的專業咨詢小組,由來自行業界(大型、小型和初創公司)、學術界、聯邦實驗室和相關聯邦機構的成員組成。該小組的目標是在跟蹤研究和開發進展的同時,識別和確定技術挑戰與市場機會。該小組的兩項具體任務是制定路線圖以指導短期、中期和長期的研發工作,并根據對一系列高價值應用、生產成本和競爭環境的有效分析,確定商業機會的優先順序。


        路線圖。高熵合金涉及廣泛的材料和應用,這使得在研究和資源分配上很難達成共識。然而,在明確了解成功的可能性及有效途徑的專家的適當參與下,指導投資的路線圖對于推動該領域的發展既可行又必不可少。路線圖至少應該解決以下任務:確定并評估最有前途和最先進(接近生產)的工藝技術,以實現不同類型高熵合金的可擴展性和適用性;將特定的新興制造技術解決方案與具有國家優先權(例如國防、能源和健康)的目標應用領域相匹配;制定協調資源和加速創新的長期戰略。在制定路線圖后,咨詢小組將跟蹤實現路線圖目標的進展情況。該小組還將直接與相關研究人員和行業參與者合作,以確定行業參與早期研究的機會,并加速向美國公司的許可和技術轉讓。

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