【標準解讀】GB/T 42787-2023《增材制造用高熵合金粉》標準解讀
以下文章來源于 有色標準計量質量
一、標準制定背景及必要性
高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)是近年來提出的新合金體系，不同于傳統的合金材料單一元素為主的合金設計策略，高熵合金是由多種金屬元素以等原子比或近等原子比的成分組成，每個組元的原子分數在5%～35%之間。目前，根據高熵合金的性質和特點，總結出高熵合金的四大效應：(1)熱力學上的高熵效應;(2)結構上的晶格畸變效應;(3)動力學上的遲滯擴散效應;(4)性能上的“雞尾酒”效應。高熵合金的出現使合金設計從相圖邊角擴展到中間，極大拓展了合金設計領域，近些年來，有關高熵合金的研究逐漸成為材料領域的國際熱點。得益于采用傳統制造工藝成功制造出高熵合金并用于各種不同的場合，3D打印高熵合金在近年來也得到了飛速發展。
高熵合金與傳統合金相比，其具有高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨、耐高溫、抗輻射以及軟磁性等優異的綜合性能，應用范圍廣，特別是在發動機工業、硬質刀具工業、海洋工程、核工業等工業領域復雜金屬零件的應用上具有很大的優勢，如在高溫、高壓、高速等條件下其依然能夠維持較好的力學性能，可被用來服役于一些惡劣環境，例如在航空航天、核能工程等方面;另一方面高熵合金具有優異的耐蝕性，常被用來生產化工器皿、渦輪葉片等長期在侵蝕性溶液里使用的零件。還有一些高熵合金在電學、磁學等方面性能優異，可以被用在電子通信等方面，例如變壓器、磁頭、磁盤等。高熵合金因其在動態載荷條件下顯示出卓越的抗壓強度、出色的耐腐蝕性、優異的高溫性能以及在環境溫度和低溫下的機械響應性，已經得到廣泛應用。
高熵合金具有廣闊的市場前景，但目前我國尚未對增材制造用高熵合金粉制定相關國家標準以及行業標準，也沒有統一的技術要求和檢驗驗收規范。制定該粉末材料的國家標準旨在引導高熵合金的研究和開發有序開展，同時加強供需雙方的技術理解和交流，引導和規范該產品的生產和銷售，滿足市場相關領域的不同需求，對于促進增材制造用高熵合金粉的發展具有十分深遠的意義。同時本標準的制定能夠有效的對增材制造用高熵合金粉末的生產、檢驗、包裝等活動進行規范，有利于提高增材制造用高熵合金粉末的產品質量，推進粉末的市場應用。針對不同增材制造工藝的要求，對高熵合金粉末的化學成分及物理化學性能進行了規定，以解決當前增材制造用高熵合金粉末無標準可依、粉末性能參差不齊的問題。
二、標準制定過程
2021年3月16日-18日，在江蘇蘇州組織召開會議，會議對本項目進行了任務落實。江蘇威拉里與參編單位成立標準編制工作組，對目標任務進行分解，明確成員的任務要求，制定工作計劃和進度安排。由于該標準為首次制定，項目運行以來，工作組成員查閱了大量的國內外相關文獻資料，收集、整理、對比分析了相關企業的技術資料，同時也對公司內部生產的高熵合金粉末相關產品檢測分析報告、用戶使用狀況等進行了相關資料的收集整理;對國內從事高熵合金粉末制造、研發以及生產單位進行了調研，了解其工藝、產能、規格及質量控制水平等基本情況，并對相應結果進行匯總、分析。結合調研情況和公司近年來在高熵合金粉末生產制造經驗，以公司現有相關質量文件和高熵合金粉末企業標準為基礎，于2021年04月底完成標準討論稿。
2021年05月13日-14日，全國有色金屬標準化技術委員會和全國增材制造標準化技術委員會共同組織在浙江寧波召開本標準的討論會。與會代表對本標準的征求意見稿和編制說明進行了認真、細致的討論，并提出修改意見。2022年7月標準制定工作組對收集到的意見進行整理，共收到了19條意見，形成了標準征求意見稿意見匯總處理表。同時對標準征求意見稿進行修改，于2022年07月完成標準的送審稿和編制說明。
202208月15日-16日，國家標準《增材制造用高熵合金粉》審定會由全國有色金屬標準化技術委員會和全國增材制造標準化技術委員會主持，于廣州召開。會議對標準送審稿進行了認真、細致的討論。與會專家經過討論后一致認為：本標準的制定遵循了滿足用戶需求、技術內容合理、檢驗方法可行的原則，并且充分考慮了生產企業、使用單位及相關各方的意見和建議。本標準對我國增材制造用高熵合金粉具有較強的規范和指導作用，達到了國內先進水平。
三、標準內容
標準選取應用較為廣泛且相對成熟的高熵合金粉末，批量化生產增材制造用高熵合金粉末的牌號主要有FeCoNiCrMn、FeCoNiCrAl、FeCoNiCrTi、FeCoNiCrMo、FeCoNiCr，這五種高熵合金化學成分中各主元素按照等原子比或近原子比構成，然后換算成對應的質量分數;雜質元素主要包含氧、氮氣體元素以及碳、磷、硫等雜質。通過調研相關單位生產的高熵合金粉末化學成分報告以及實際應用需求設置恰當合理的化學成分范圍。其中產品中主元素Fe、Mn、Ni、Mo、Co、Cr、Al、Ti以及雜質元素C、S、P、O、N含量分析按供需雙方協商確定的方法進行。
高熵合金粉主要采用真空感應熔煉惰性氣體霧化法、等離子旋轉電極法等工藝進行制備，不同工藝所制備的高熵合金粉的粒度區間有差別，但可通過篩分進行粒度調節。根據激光粉末床熔融、電子束粉末床熔融以及激光定向能量沉積等不同工藝技術要求，參考江蘇威拉里新材料科技有限公司、礦冶科技集團有限公司、北京科技大學、盤星新型合金材料(常州)有限公司、浙江亞通焊材有限公司、寧波眾遠新材料科技有限公司、西安賽隆金屬材料有限責任公司等7家單位提供的產品數據，充分討論后確定產品的粒度應符合表1的規定。
粉末松裝密度是粉末在規定條件下自由充滿標準容器后所測得的堆積密度，即粉末松散填裝時單位體積的質量，是粉末的一種工藝性能。松裝密度是粉末多種性能的綜合體現，可以反映出粉末的密度、顆粒形狀、顆粒密度和表面狀態、粉末的粒度及粒度分布等。粉末顆粒形狀越規則、顆粒表面越光滑、顆粒越致密，粉末的松裝密度會越大。通常情況，松裝密度隨顆粒尺寸的減小、顆粒非球狀系數的增大以及表面粗糙度的增加而減小。較高的粉末松裝密度有利于增材制造工藝的設置和優化，并確保增材制造最終產品的致密度達到目標產品要求。
產品的松裝密度應符合表2的規定。
振實密度是粉末在容器中經過機械振動達到較理想排列狀態的粉末密度，其相對于松裝密度增大的百分數是粉末多種物理性能，如粉末粒度及其分布、顆粒形狀及其表面粗糙度、比表面積等的綜合體現。粉末振實密度越大，說明粉末的相對流動性越好。
產品的振實密度應符合表3的規定。
流動性是指以一定量粉末流過規定孔徑的標準漏斗所需要的時間，通常采用霍爾流速漏斗，流動性單位為s/50g，表征粉末流動的難易程度，數值越小流動性越好。粉末的粒度、濕度、靜電以及粉末是否為球形均會影響粉末的流動特性。無論對于鋪粉還是送粉的增材制造工藝，粉末的流動性均會影響增材制造過程和制件性能。
產品的流動性應符合表4的規定。
產品的外觀呈灰色或黑灰色，應無結塊，無目視可見夾雜物。
四、標準實施意義
本標準的制定有效規范了增材制造用高熵合金粉末的生產、檢驗、包裝等內容，大大提高了增材制造用高熵合金粉末的產品質量，推進了粉末的市場應用。針對不同增材制造工藝的要求，對高熵合金粉末的化學成分及物理化學性能進行了規定，解決了當前增材制造用高熵合金粉末無標準可依、粉末性能參差不齊的問題。
本標準實施后，對我國增材制造工業領域所需的高熵合金粉的要求更加合理規范，有利于提升增材制造高熵合金粉的各項性能指標，使我國高熵合金粉的增材制備技術和整體性能達到國際先進水平，實現有標準可查、有據可依，同時可以滿足發動機工業、硬質刀具工業、海洋工程、核工業等工業領域的復雜金屬零件關鍵原材料需求，并對推進高性能高熵合金粉的發展和應用起到積極的促進作用。
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