利用SLM增材製造方式製作雙相難熔中熵合金NbMoTi

Yinan Chen a, Bo Li

本篇論文介紹利用選擇性雷射熔化（SLM）增材製造技術，成功製造出雙相難熔中熵合金NbMoTi。

由於高熔點，單一BCC相元素金屬的製造難度大，同時單一相元素金屬的性質單一，限制了合金的性能。因此，本研究探討以Nb，Mo和混合MoNbTi粉末的成形分析，並且藉由 FLOW-3D模擬下，首次成功證明了利用雷射加工，可以從粉末混合物中原位合金化生産MoNbTi中熵合金。製造參數的最佳化可通過數值模擬來縮短流程設計周期。本研究並且分析了非平衡固化過程中MoNbTi合金樣品的雙相微觀結構。

金屬材料規格如下

實驗方式

1. 將Nb、Mo和Ti粉末混合，並通過三維粉末混合機進行攪拌36小時，得到混合粉末。

2. 通過數值模擬（FLOW-3D）確定最佳化的加工參數，如雷射功率、掃描速度、掃描間距和層厚等。

3. 以SLM技術製備出Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品，並使用阿基米德測量法測量了它們的密度。

實驗結果表明，經過最佳化的加工參數可以成功製備出高密度的Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品。

結果與討論

參數設計

以FLOW-3D進行數值模擬來確認加工參數。通過改變掃描速度、孵化間距和層厚等參數，模擬出不同參數下元素Nb的熔池變化情况。當掃描速度降低時，熔池的幾何尺寸增加，熔池的液面下降。在速度爲300 mm/s時，熔池的瞬時最高溫度爲4261 K，且成功完成SLM成形。當速度下降到200 mm/s時，液面凹陷，成形效果較差。

微結構分析

以EBSD對SLM製造的單相BCC晶體結構的元素Nb樣品的微觀結構進行表徵。結果顯示，樣品中存在典型的柱狀晶，在平行于BD方向的平面上，柱狀晶的尺寸達到30×500 μm，在垂直于BD方向的平面上，等效圓直徑小于120 μm，平均值爲41 μm。Mo樣品的EBSD圖像與Nb樣品高度相似，因此本部分僅討論SLM製造的Mo樣品的晶粒尺寸，其晶粒尺寸相對均勻且小于Nb樣品。 

討論

1.  SLM參數設計的關鍵因素，包括了掃描速度、孵化間距和層厚等。

2. 不同合金的SLM參數，必須搭配不同的加工間距與加工層厚。

本研究介紹如何利用數值模擬找出加工參數的設計方式，並且以EBSD顯示SLM加工工件的微關結構。

本研究成功設計出Mo和NbMoTi合金的參數，並且證明數值模擬結果可以協助開發新合金的SLM參數設計，克服了設計高熵合金參數的困難。