Radiofrequency plasma spheroidization of lightweight complex concentrated superalloy Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20
本文提出了一种结合机械合金化与射频等离子体球化技术的新型方法，成功制备出高质量、球形的轻质高熵超合金 Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20 粉末，该粉末适用于增材制造，且其显微组织以 BCC 相为主并伴有局部 B2 有序化。
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航空航天工程领域正不断挑战着一个硬性极限：用于制造喷气发动机和航天器的材料的熔点。几十年来，该行业一直依赖镍基超合金，这种合金强度极高，但在温度接近1,200摄氏度时，其结构完整性便开始丧失。为了飞得更高、更快，工程师需要能够承受更极端热量的材料。这促使了一类被称为难熔复杂高熵合金（refractory complex concentrated alloys）的新型金属的发展。这些并非简单的两三种金属混合物，而是由五种或更多重质、耐热元素（如钽、铌和钛）组成的复杂配比。其目标是创造出一种不仅在超高温下更强韧，而且比旨在取代的镍合金更轻的材料，从而减轻飞机的整体重量。
然而，将这些复杂的“食谱”转化为可用的零件是一个重大障碍。为了使用现代3D打印技术（即增材制造）来制造这些合金，工程师需要将原材料制成细小、完美的圆形粉末。如果粉末颗粒是锯齿状或不规则的，它们就无法在打印机中流畅流动，从而导致最终物体出现薄弱点和缺陷。制造这类粉末极其困难，因为其中的元素具有很强的反应性且熔点极高，导致传统方法往往无法生产出洁净的球形产品。捷克的一支研究小组最近通过结合两种截然不同的工艺解决了这个问题：首先将原始金属元素研磨成粗糙的粉末，然后利用超高温气流使这些颗粒熔化并重塑为完美的球体。
研究人员从一种特定的合金配方开始，该配方包含铝、铌、钽、钛、钒和锆。他们首先将六种元素的原始粉末放入高能磨机中进行4事48小时的研磨。这种被称为机械合金化的过程，迫使不同的金属颗粒在微观层面进行结合与混合。其结果是一种化学成分均匀但物理形态呈锯齿状且不规则的粉末，就像碎石子一样。虽然这种混合物包含了正确的成分，但以目前的形态来看，它无法用于3D打印。随后，团队将这种粗糙粉末送入一台使用射频等离子体的专用机器中，这种等离子体是一股温度约为10,000摄氏度的电离气体流。当锯齿状颗粒飞过这股剧烈热流时，它们瞬间熔化。一旦变为液态，表面张力的自然力量将液态金属液滴拉成完美的球形，就像水滴在太空中形成球体一样。随后，这些颗粒迅速冷却，从而冻结成这种球形，准备投入增材制造中使用。
这种转化在很大程度上是成功的。所得粉末由近乎完美的球体组成，其粒径分布非常适合打印，收集室底部落下的颗粒平均直径约为39微米。研究人员发现，该工艺足以熔化混合物中最顽固的高熔点元素。然而，这一过程并非没有波折。虽然粉末的形状得到了改善，但化学纯度并不完美。分析显示，粉末中的氧和氮含量高于原始原料。这种污染很可能是因为微小的颗粒在飞过等离子体时，像海绵一样吸收了周围环境中的气体。这些额外元素的出现非常显著；它使得最终的粉末颗粒比预期更硬，研究人员将这一现象归因于这些被捕获的气体的强化作用，而非合金本身的成分。
在这些新形成的球体内，研究人员发现了复杂的内部结构。一些颗粒是均匀的，而另一些则呈现出明显的两相模式，类似于冰晶在含冰饮料中形成的方式。其中一个相富含铝和锆，而另一个相则以钽和铌为主。这种分离发生的原因是颗粒冷却过快，导致不同元素在凝固前没有足够的时间完全混合。团队还发现，金属中嵌入了由锆和碳组成的微小针状晶体。这些晶体的形成是因为研磨过程中使用的少量乙醇（用于防止粉末粘连）向混合物中引入了碳。在等离子体剧烈加热的过程中，碳随后与锆结合。
这项研究结论认为，这种先研磨后熔化的方法是创造制造下一代航空航天材料所需高质量粉末的一条可行路径。该工艺成功地将锯齿状、不规则的金属粉尘转化为光滑、球形的进料，可用于3D打印机。然而，研究人员提醒说，追求完美的旅程尚未完成。存在多余气体以及意外碳化合物的现象表明，该工艺仍需进一步改进，以确保最终材料的化学纯度。团队强调，要让这些先进合金发挥其全部潜力，控制气体环境的纯度和设备的清洁度，与控制温度同样重要。通过理解这些细微之处，工程师可以更接近于打印出更轻、更强韧，并能在以往无法触及的环境中运行的飞机零部件。
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