▌材料高通制備技術(shù)發(fā)展背景

21世紀(jì)科技發(fā)展的主要方向之一是新材料的研制和應(yīng)用。隨著科技發(fā)展日新月異，對(duì)新材料的需求也越來越多，這就需要快速研制出更多滿足需求的新材料。傳統(tǒng)的材料研究和應(yīng)用周期較長(zhǎng)，已經(jīng)不符合當(dāng)前新材料研發(fā)的需求。因此為了使新材料研發(fā)更省時(shí)，更經(jīng)濟(jì)，急需新的新材料研究及制備方法。

圖靈獎(jiǎng)得主，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的鼻祖Jim Gray（吉姆-格雷）在2007年加州山景城召開的NRC-CSTB大會(huì)上，提出將科學(xué)研究分為四類范式（Paradigm，某種必須遵循的規(guī)范或大家都在用的套路），依次為實(shí)驗(yàn)歸納，模型推演，仿真模擬和數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)（Data-Intensive Scientific Discovery）。其中，最后的“數(shù)據(jù)密集型”，也就是現(xiàn)在我們所稱的“科學(xué)大數(shù)據(jù)”。因此未來新材料的開發(fā)更多的會(huì)以海量的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，這也是當(dāng)前發(fā)展“材料基因組”工程的重要原因，“材料基因組工程”以前所未有的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將人工智能數(shù)據(jù)技術(shù)與高通量計(jì)算、高通量制備、高通量表征等新技術(shù)深度融合，更快、更準(zhǔn)確的獲得成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)新材料及工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)，更快的獲得所需的材料。2016年開始，我國(guó)首次將材料基因組工程與技術(shù)列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。

▌金屬材料高通量制備技術(shù)

材料高通量制備技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)制備大量不同成分的新型材料，可以加速新型材料的研發(fā)與應(yīng)用，被列為材料基因組技術(shù)的三大技術(shù)要素之一。其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統(tǒng)的金屬材料高通量制備方法制備周期長(zhǎng)，制備樣品尺寸較小，能源消耗較高。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，采用增材制造技術(shù)開展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發(fā)展，且增材制造高通量制備相較于傳統(tǒng)高通量制備技術(shù)呈現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)：

-可以快速成型多種材料試樣；
-可以制備毫米級(jí)以上的塊狀樣品；
-研究過程中原材料消耗較少，更經(jīng)濟(jì)。


基于此，安世亞太科技股份有限公司攜手鋼鐵研究總院，基于激光選區(qū)熔化技術(shù)開發(fā)了具有領(lǐng)先水平的DLM-120HT金屬材料高通量增材制備設(shè)備。

DLM-120HT是基于異質(zhì)粉末3D打印的新金屬材料開發(fā)高通量制備平臺(tái)。直接利用元素粉末或合金粉末進(jìn)行激光選區(qū)熔化成型，一次打印過程可實(shí)現(xiàn)4種粉末、160種材料成分配比的力學(xué)性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。

DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺(tái)具有以下特色：

1、混構(gòu)打印
能實(shí)現(xiàn)不同金屬粉末的混構(gòu)打印，可自由設(shè)計(jì)成分過渡，加速新材料研發(fā)過程且可制備對(duì)不同部位有不同要求的梯度材料金屬構(gòu)件，提高構(gòu)件性能、延長(zhǎng)使用壽命。

2、高性能

擁有精確控量的送粉器、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效粉末混合裝置和高效、快拆、易維護(hù)的粉路系統(tǒng)，快速實(shí)現(xiàn)試樣制備。

3、高靈活性

自主研發(fā)的APRO控制系統(tǒng)結(jié)合高度模塊化的主機(jī)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)3D打印模式和高通量制備模式的自由切換，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、高效的樣塊及零件制備過程。


▌金屬材料高通量制備解決方案

1.材料成分設(shè)計(jì)

基于材料熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算在開展新材料研發(fā)前進(jìn)行相圖計(jì)算、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模擬、析出動(dòng)力學(xué)模擬及組織場(chǎng)計(jì)算等，基于計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行材料成分設(shè)計(jì)。

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2.打印工藝仿真

借助有限元分析軟件來進(jìn)行基于SLM工藝的打印工藝仿真，對(duì)打印過程的溫度場(chǎng)、變形和應(yīng)力進(jìn)行分析，并開展變形補(bǔ)償設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)刮板碰撞及工藝參數(shù)優(yōu)化。

3.開展基于SLM工藝的高通量制備

采用DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺(tái)按照設(shè)計(jì)成分及工藝開展高通量制備，快速制備出大量符合后續(xù)性能測(cè)試要求的試樣。

4.開展性能測(cè)試

針對(duì)所制備的樣品開展相關(guān)性能測(cè)試，包括密度、硬度、力學(xué)性能、組織及成分等，快速得到所需的性能參數(shù)。

5.進(jìn)行設(shè)計(jì)成分及工藝參數(shù)優(yōu)化

基于前期所設(shè)計(jì)的不同成分?jǐn)?shù)據(jù)、不同制備工藝數(shù)據(jù)以及測(cè)試得到的相關(guān)性能數(shù)據(jù)開展敏感性分析及參數(shù)優(yōu)化工作，分析得到影響最終合金樣品性能的成分參數(shù)或工藝參數(shù)，并得到最優(yōu)的成分配比和制備工藝。


▌結(jié)論

新材料的研究，是人類對(duì)物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)識(shí)和應(yīng)用向更深層次的進(jìn)軍。材料創(chuàng)新已成為推動(dòng)人類文明進(jìn)步的重要?jiǎng)恿χ?，也促進(jìn)了新技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺(tái)可以加速金屬新材料研究的步伐，為我國(guó)新材料的研究添磚加瓦。