讓金屬製造史上開創全新紀元的「祕密配方」
科學家開發出一種獨特的技術，可以在極端環境下應用於航空、太空和能源等廣泛領域的複合金屬零件的製造。研究人員來自美國能源部奧克裏奇國家實驗室，他們開發的這種技術可以設計組成梯度的複合零件，這些零件從高強度的超合金過渡到可以承受極高溫度的耐火合金，而不需要焊接。儘管超合金和耐火合金通常無法焊接或相互銜接，但許多應用需要具有特定高溫和高強度特性的材料。
這項技術的關鍵在於「祕密配方」。研究領導者 Soumya Nag 表示這就像烹飪一樣，你需要不同的成分。所以，如果在一邊有更多的義大利麵，而在另一邊有更多的燉飯，你要如何讓從義大利麵變成燉飯的過程是連續的呢？你需要在移動過程中改變成分，而這正是我們所做的。
該技術使用了一種稱為定向能量沉積的新增製造模式，在惰性氬氣環境中使用了不同組成的粉末。研究人員根據需要改變沉積速率，從而改變合金的組成。這種技術可以讓我們在結構應用中製造出具有腐蝕、高溫或輻射環境的元件，從而提高效能。
拋棄了焊接問題，實現了超合金和耐火合金的聯接
在最新的研究中，科學家使用了鎳基合金英可耐（Inconel 718）和鈮基合金 C103 的粉末。這兩種合金，一種具有高強度，另一種具有高耐高溫性，在聯接時不容易結合並且容易產生裂紋。但使用了定向能量沉積機器，並改變了粉末流動的速率，科學家可以改變聯接金屬的組成，使其具有兩者的有益特性。
研究人員使用了最先進的計算熱力學和多尺度高通量表徵工具，設計了非線性梯度途徑。並透過奧克裏奇國家實驗室的中子衍射研究對這些製件的應力狀態進行了分析，取證了計算合金設計的正確性。當前正在基於實驗資料生成熔池、熱和應變模型。
應用範圍廣泛，可以改變極端環境下零件的製造方式
這項技術的應用包括太空火箭引擎、航空製造、核聚變和分裂反應器制造、與海洋相關的用途、可再生能源系統等等任何極端環境的領域。Nag 說:「我們正在朝著一個未來的方向邁進，將定制化元件的特定效能和降低製造成本相結合，用於廣泛的應用。這可能會改變極端條件下零件的製造方式。」
Nag 已提交了一項有關所採用材料和製造過程的臨時專利申請。
總結與展望
這項全新的金屬製造技術是一個重要的突破，使得在極端環境下使用的複合金屬零件的製造更加靈活和可行。傳統上，超合金和耐火合金無法焊接，這約束了在需要具有不同特性的材料的應用中的使用。然而這項技術透過改變材料的組成，成功實現了這兩種合金的聯接，從而改變了零件的結構和效能。
這項技術的應用範圍廣泛，可以應用於航空、太空、能源等多個領域。例如，在航空領域，這項技術可以用於製造高強度和高溫耐受能力的零件，提高飛機的效能和安全性。在能源領域，它可以應用於核反應器和可再生能源系統的製造，提高能源的效率和可持續性。
儘管這項技術還處於研究階段，但它具有巨大的潛力，可以為工業界帶來革命性的改變。它有望減少製造成本，並提供更靈活和高效能的零件製造方式。
資料來源：
Secret sauce' enables new way to fabricate compositionally graded alloys (2023, July 21). Retrieved from https://techxplore.com/news/2023-07-secret-sauce-enables-fabricate-compositionally.html
