北航最新Science:3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛

 

2020-11-04 01:55

  2019年11月29日,北航侯慧龙副教授以第一作者身份在世界顶级期刊《Science》发表了最新研究成果,论文发现3D打印的制冷材料镍钛合金,可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了3D打印在优化固态制冷技术中的潜力。本期我们不仅要介绍这项研究,还将介绍能够开发超级材料的3D打印工艺。

  空调和制冷每年消耗全世界约五分之一的电力资源。更高效、更环保的制冷技术在最近十几年发展迅速。固态制冷技术(包含磁热制冷、机械热制冷和电热制冷及其他)近年来引起关注。

  应力制冷技术(或称弹热制冷,是机械热制冷的形式之一)是通过外应力场的施加和移除可逆地改变材料的晶体结构对称性的引起材料放热和吸热。该技术发明于2012年,因其巨大的潜热效能,在2014年美国能源部统计的能够取代蒸气压缩式制冷的17种可选技术中排在首位。同时,应力制冷样机和应力蓄热热泵也在不断开发,以期接近实际应用。然而,应力制冷材料的热力滞后会约束制冷系统的效率,并且其对制冷性能的长期稳定性影响也未得到解决。

  ▌增材制造镍钛合金:首创性地为长寿命材料制造、选取和工程设计提供科学依据

  增材制造镍钛合金能够制造出高效热力学性能、超窄滞后的应力制冷材料。通过精巧设计的“工艺-微结构-属性-性能”策略,利用粉末激光定向能量沉积技术中的局部熔融和快速冷却的特点,调节元素粉末的比例达到近共熔成分混合,实现在二元合金基体中镶嵌富镍金属间化合物的纳米复合微结构。所获得的应力制冷材料在准线性应力-应变行为中展现出极小的应力滞后,相比于通常情况,其材料效率提高了4-7倍,并且在一百万次循环中拥有可重复的应力制冷性能。

  图一: A. 粉末激光定向能量沉积技术示意图; B. 镍钛合金相图; C-H. 作为范例展示,获得了柱状、管状和蜂窝状结构; F. 等温加载时各材料行为的对比; G. 绝热加载时各材料行为的对比; H. 各材料的滞后特性和效率的对比

  先进的原位加载同步X射线衍射表征手段辅以微观力学模型揭示了二元合金基体和富镍金属间化合物的相互作用机制。基于实验观测创建了应力制冷材料输入能量耗散率与功能失效循环之间的唯象相关性,并且初步的实验统计显示该相关性可普适于固态制冷材料,首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据,对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。

  图为3D打印抗疲劳、高性能制冷材料的示意图,作为范例展示,蜂窝状构件的形状和高度依次形成

  增材制造应力制冷材料可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了增材制造在优化固态制冷技术的潜力。该项工作后续的研究将服务于国家在航空航天飞行器特种制冷技术的重大需求,结合北航航空科学与工程学院特色专业(包括飞行器结构强度和人机与环境工程),并与材料科学与工程学院、机械工程及自动化学院以及国内外相关单位合作进行。

  在《采用人工智能和3D打印设计超级材料》一文中,我们提到,德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所借助AI和3D打印来寻找超级合金的合适配方。项目人员通过使用人工智能和机器学习来研究大量监测数据与实际工艺效果间的联系,并使用激光粉末堆焊技术,在具有挑战性的工作中开发新的超级合金。

  结合我们上周报道的中国留学生博士后,也是采用了激光能量沉积技术制造超强材料钛铜合金。对比北航的最新成果,我们可以发现,这些研究普遍使用基于送粉的激光定向能量沉积技术开发超级材料。

  激光能量沉积技术可以同时或连续地将不同粉末送入加工区,精确调节进给速率;性能最好、最昂贵、高抗性的材料只在最需要的位置释放,不同的粉末可以在激光的作用下实现共熔,构件的不同部位可实现不同的性能特点。因此,激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力。

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