欧洲地平线2020发起topAM 项目支持开发3D打印ODS氧化物弥散强化合金

      欧洲地平线 HORIZON 2020发起topAM 项目，支持开发3D打印ODS氧化物弥散强化合金。ODS合金是基于马氏体钢和铁素体钢的基础上形成的材料，由于本身的晶体结构，体立方中心的钢基体可以形成具有弥散的柯氏气体团，形成超稳定的强化态，具有抗高温蠕变的特性。

       欧盟资助的 topAM 项目的目标是开发新的工艺路线，用于制造氧化物弥散强化合金，该合金由金属基体（FeCrAl、Ni 和 NiCu）组成，其中散布着小的氧化物颗粒。这些合金将作为3D打印增材制造的粉末生产，并为加工工业提供竞争优势。

项目主导协调方：亚琛工业大学莱茵-西法利亚技术学院
© 欧盟地平线2020

高温材料的3D打印

 节约材料、延长组件寿命

      当今和未来的发电和交通领域的大量领先技术都依赖于安全高效地使用高温材料。例如，热交换器和燃气燃烧器头，情况就是如此。到目前为止，用于在恶劣环境中运行的组件的材料非常昂贵且难以加工。

       3D打印-增材制造提供了新的材料设计策略和处理方式，这些可能性帮助克服这些材料难以加工的缺点。截至今天，氧化物弥散强化 合金(ODS)允许在极端侵蚀、高温腐蚀和热疲劳负载条件下运行。出于这个原因，欧洲地平线 HORIZON 2020的topAM 项目的研究重点是开发 AM-增材制造定制的 ODS 合金和相应的制造工艺，这些工艺将产生具有关键延长使用寿命的高性能零件，进而提升相关设备的性能与使用寿命。

       目前，根据亚琛工业大学通过微观结构演化模拟软件进行的有限元法 (FEM) 模拟显示，在项目中考虑的基础合金中加入氧化物后，在改善微观结构方面取得了可喜的成果，项目期待着第一个机械和腐蚀测试结果。

© 亚琛工业大学

       欧洲地平线 HORIZON 2020的topAM 项目的发起的意图是优化用于增材制造的氧化物弥散强化合金的设计，例如在燃气燃烧器头和热交换器的制造中，因为这些材料在高温下表现出良好的耐腐蚀性和机械性能。先进的集成计算材料工程方法将帮助合金和工艺开发，结合热力学、微观结构和工艺模拟，计算方法有助于最大限度地缩短开发时间、节省原材料使用并延长组件寿命。

© 亚琛工业大学

     欧洲工业正面临诸多挑战，例如全球竞争以及能源和资源效率的巨大变化。topAM 可以通过开发和应用以 FeCrAl、Ni 和 NiCu 为基础的新型氧化物弥散强化 (ODS) 合金的新工艺路线来满足这些需求。

 集成计算材料工程

     新型 ODS 材料通过增材制造（例如）为加工工业提供了明显的优势，这其中通过拓扑优化、传感器集成的高温设备（燃气燃烧器头、热交换器）暴露在腐蚀性环境中。合金和工艺开发将以先进的集成计算材料工程 (ICME) 方法为目标，结合计算热力学、微观结构和工艺模拟，以有助于节省时间、原材料并延长部件的使用寿命。

     物理合金生产将通过结合纳米技术聚合ODS复合材料与LPBF选区金属3D打印技术并配合着后处理来实现。集成计算材料工程 ICME 方法将通过全面的材料表征和工业相关使用条件下的组件密集测试来补充。该策略可以更深入地了解工艺-微观结构-特性关系，并量化改进的功能、特性和生命周期评估。

topAM 项目将降低ODS成本、提高能源效率和卓越的性能，同时显著延长使用寿命。该项目由在与该提案相关的领域处于世界领先地位的用户、材料供应商和研究机构组成，这保证了 topAM 的高效、高水平、面向应用的执行。工业项目合作伙伴，尤其是中小企业，将因其在材料加工价值链中的战略地位而获得更高的竞争力，例如粉末生产，以与集成计算材料工程 ICME 的独特结合，巩固欧洲在 AM 增材制造这一新兴技术领域的领先地位。

© 亚琛工业大学

成员：

• 亚琛工业大学RWTH Aachen，德国

• 法国拉罗谢尔大学

• Stiftung Fachhochschule Osnabrück，德国

• 西班牙马德里康普顿斯大学

• Ustav fyziky materialu，Akademie Ved

Ceske republiky, v.v.i, 捷克共和国

• Dechema-Foschungsinstitut Stiftung，德国

• Siec Badawcza Lukasiewicz – Krakowski Instytut

Technologiczny, 波兰

• 德国VDM metals Intetnational GmbH

• 德国林德

• Rise IVF AB，瑞典

• ZOZ 有限公司，德国

• Indutherm Giesstechnologie GmbH；德国

• Questec Europe AB，瑞典

• Aktiebolaget Sandvik Materialstechnology，瑞典

• KME 德国有限公司

 走向数字化的不锈钢3D打印材料

根据3D科学谷的市场观察，市场上对不锈钢3D打印新型材料的研究甚少，大部分集中在钛金属材料、铝合金以及复合材料的增材制造研究。而3D打印-增材制造零件的性能对于加工工艺参数极为敏感。要获得稳定的打印结果往往需要大量的实验来确定针对性的加工工艺参数。

那么是否可以通过预合金粉末材料作为起始基础，并通过添加元素粉末有目的地进行改性，以便有效优化 PBF-LB基于粉末床的激光增材制造加工过程 – 创建理想的优化合金？

对于不锈钢合金粉末材料来说，目前的一个市场挑战是如何开发出表面硬化，并且可以热处理的不锈钢合金粉末材料。是否存在可以被认证的材料，这些可以使零部件在LPBF加工过程中不会形成裂缝或缺陷？

有时候要加工出合格的零件，仅仅调整LPBF工艺和设备是不够的，因为目前使用的不锈钢合金粉末成分特别适合于传统的制造技术，而不是专门为3D打印工艺所开发的。

然而，通过传统加工技术，不锈钢均存在加工时切削强韧、切削温度很高的特点。当强韧的切削流经前刀面时，将产生黏结、熔焊等黏刀现象，影响加工零件表面的粗糙度。

而通过LPBF工艺加工不锈钢粉末材料，解决了传统切削方式加工的弊端。3D打印不锈钢材料缩短了产品的开发制造周期，可快速高效地进行小批量复杂零部件的制造。

亚琛工业大学的数字增材制造学院-DAP特别关注专门用于激光束粉末床熔化(PBF-LB) 的合金，以实现最佳生产和适应应用的机械和微观结构部件性能。预先合金化的、已经建立的粉末材料的化学成分会受到添加元素粉末的特别影响。

在一个开发案例中，DAP的研究人员通过精确调整碳含量 (C) 来修改预合金钢粉末 (X30Mn22) 的性能。碳对 PBF-LB 工艺中材料的可加工性以及增材制造部件的拉伸强度和断裂伸长率有重大影响。为了研究不同粉末成分的性能，由不同比例的 X30Mn22 粉末和碳粉组成的粉末混合物来进行PBF-LB 工艺（高达 1.2 wt% C）加工；所有组合物的相对密度均大于 99.8%。

推动3D打印突破边界约束的力量，通过与亚琛工业大学及Fraunhofer ILT, Franhofer IPT研究所为核心的ACAM亚琛增材制造研究中心的密切合作，增材制造正在加速技术创新，通过政府资助的研究项目，以及与类似于GKN, 欧瑞康，格朗吉斯铝业等材料厂商的合作，亚琛及德国以及欧洲的科学家们正在推动从材料到零件的整个工艺链的数字化，从而为零件的致密性、质量的可重复性，认证过程提供数字化基础。

正如ACAM亚琛增材制造中心在formnext 2021深圳展会discover3Dprinting的3D打印发现之旅论坛上关于《增材制造技术“深潜”-前沿发展趋势》中所分享的，推动材料开发需要确保大幅减少增材制造新材料设计、开发和取得资格所需的时间和成本。该领域包括开发新的和新颖的计算方法，如基于物理及模型辅助的材料性能预测工具；开发对计算机预测进行验证所需的通用基准数据，以及针对材料性能表征的新思路，有助于为每一个新的增材制造材料-工艺组合开发设计循环。