氧化物弥散强化(ODS)合金的特点是纳米级氧化物颗粒均匀地分散在金属基体中。它们的发展是由技术应用驱动的,例如燃气轮机,这些涡轮机需要在高温下增加材料强度和蠕变特性,以及根据现代核反应堆所需提高对高能中子大气的抵抗能力。增材制造(AM)提供了可持续缩短氧化物弥散强化ODS材料传统烧结工艺链的可能性,此外还能够直接生产复杂部件。本文主要通过对ODS合金增材制造的独特性研究和影响因素的推断,对ODS合金增材制造的现状进行了综述。强调了生产中的挑战,如生产合适的粉末材料和巩固技术,包括原位制造技术。本综述的主要重点是工艺对最终ODS材料及其微观结构特征和力学性能的影响。介绍和讨论了不同类别的ODS合金及其使用领域。目前人们重视到了ODS合金的缺陷,研究如何使这类材料广泛应用能够重点发展。
2021年,欧盟委员会公布了“绿色协议”计划,旨在大幅减少排放,到2050年达到完全碳中和。为了实现这些目标,内燃机发电效率和涡轮机械应用效率必须提高(通过提高内燃机的工作温度或使用替代燃料,如氢来提高)。与天然气相比,氢气燃烧的火焰速度和温度更高,导致燃烧室的最高温度和压力更高,因此需要为这些部件提供耐蠕变的高温材料。氧化物弥散强化(ODS)合金是这一特殊应用的潜在候选者。它们在金属基体合金中均匀分散的氧化物纳米颗粒,通常通过霍尔-佩奇或Orowan等机制阻碍位错运动来提高大温度范围内的机械性能。此外,ODS合金可以承受核电站的极端条件,因此被认为是核聚变领域安全可持续使用的高性能材料。由于最近的进展,它可能在未来取代核裂变发电厂。
然而,传统的粉末冶金氧化弥散强化零件的制造路线涉及多个工艺步骤,包括通过机械合金化工艺制造复合粉末,通过不同的烧结技术固结,后续热处理程序和最终的减法成型。基于粉末的增材制造(AM)是ODS材料的一种很有前途的生产路线,因为它可以从定制的粉末材料中直接获得近网状的固结,从而显著缩短制造工艺。尽管AM是一种由各种合金制造金属部件的成熟技术,但常规使用的合金最初是为传统制造工艺(例如铸造)开发的。它们没有针对增材制造工艺中的特征工艺环境进行优化,因此不能充分利用这种制造技术的潜力。一般来说,用于增材制造工艺的适应合金的开发是复杂的,需要仔细选择工艺参数,工艺观察,精确模拟复杂的温度分布和凝固条件,以及熔池的流动条件。在这些模型的基础上,可以发展出性能优于常规增材制造合金的适应性合金概念。
AM技术正在越来越多的行业中应用,特别是在航空航天、汽车、能源和生物医学分支,并应用于生产越来越多的高度复杂和定制产品。AM在工业应用中的应用越来越多,这一特定研究领域的研究活动也越来越密集,这反映在科学出版物的不断增长上。特别是,大多数出版物都是在材料科学的研究领域,这表明了对为增材制造量身定制的新材料概念的需求。德国伍珀塔尔大学的Bilal Gökce教授团队由此得出结论,不仅AM可以用于改善现有ODS材料的加工,相反,ODS也可以帮助开发增材制造的潜力。相关研究成果以题“Additive manufacturing of oxide-dispersion strengthened alloys: Materials, synthesis and manufacturing”发表在Progress in Materials Science上。