【标准解读】GB/T 42787-2023《增材制造用高熵合金粉》标准解读

以下文章来源于 有色标准计量质量

 一、标准制定背景及必要性

高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)是近年来提出的新合金体系，不同于传统的合金材料单一元素为主的合金设计策略，高熵合金是由多种金属元素以等原子比或近等原子比的成分组成，每个组元的原子分数在5%～35%之间。目前，根据高熵合金的性质和特点，总结出高熵合金的四大效应：(1)热力学上的高熵效应;(2)结构上的晶格畸变效应;(3)动力学上的迟滞扩散效应;(4)性能上的“鸡尾酒”效应。高熵合金的出现使合金设计从相图边角扩展到中间，极大拓展了合金设计领域，近些年来，有关高熵合金的研究逐渐成为材料领域的国际热点。得益于采用传统制造工艺成功制造出高熵合金并用于各种不同的场合，3D打印高熵合金在近年来也得到了飞速发展。

高熵合金与传统合金相比，其具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨、耐高温、抗辐射以及软磁性等优异的综合性能，应用范围广，特别是在发动机工业、硬质刀具工业、海洋工程、核工业等工业领域复杂金属零件的应用上具有很大的优势，如在高温、高压、高速等条件下其依然能够维持较好的力学性能，可被用来服役于一些恶劣环境，例如在航空航天、核能工程等方面;另一方面高熵合金具有优异的耐蚀性，常被用来生产化工器皿、涡轮叶片等长期在侵蚀性溶液里使用的零件。还有一些高熵合金在电学、磁学等方面性能优异，可以被用在电子通信等方面，例如变压器、磁头、磁盘等。高熵合金因其在动态载荷条件下显示出卓越的抗压强度、出色的耐腐蚀性、优异的高温性能以及在环境温度和低温下的机械响应性，已经得到广泛应用。

高熵合金具有广阔的市场前景，但目前我国尚未对增材制造用高熵合金粉制定相关国家标准以及行业标准，也没有统一的技术要求和检验验收规范。制定该粉末材料的国家标准旨在引导高熵合金的研究和开发有序开展，同时加强供需双方的技术理解和交流，引导和规范该产品的生产和销售，满足市场相关领域的不同需求，对于促进增材制造用高熵合金粉的发展具有十分深远的意义。同时本标准的制定能够有效的对增材制造用高熵合金粉末的生产、检验、包装等活动进行规范，有利于提高增材制造用高熵合金粉末的产品质量，推进粉末的市场应用。针对不同增材制造工艺的要求，对高熵合金粉末的化学成分及物理化学性能进行了规定，以解决当前增材制造用高熵合金粉末无标准可依、粉末性能参差不齐的问题。

 二、标准制定过程

2021年3月16日-18日，在江苏苏州组织召开会议，会议对本项目进行了任务落实。江苏威拉里与参编单位成立标准编制工作组，对目标任务进行分解，明确成员的任务要求，制定工作计划和进度安排。由于该标准为首次制定，项目运行以来，工作组成员查阅了大量的国内外相关文献资料，收集、整理、对比分析了相关企业的技术资料，同时也对公司内部生产的高熵合金粉末相关产品检测分析报告、用户使用状况等进行了相关资料的收集整理;对国内从事高熵合金粉末制造、研发以及生产单位进行了调研，了解其工艺、产能、规格及质量控制水平等基本情况，并对相应结果进行汇总、分析。结合调研情况和公司近年来在高熵合金粉末生产制造经验，以公司现有相关质量文件和高熵合金粉末企业标准为基础，于2021年04月底完成标准讨论稿。

2021年05月13日-14日，全国有色金属标准化技术委员会和全国增材制造标准化技术委员会共同组织在浙江宁波召开本标准的讨论会。与会代表对本标准的征求意见稿和编制说明进行了认真、细致的讨论，并提出修改意见。2022年7月标准制定工作组对收集到的意见进行整理，共收到了19条意见，形成了标准征求意见稿意见汇总处理表。同时对标准征求意见稿进行修改，于2022年07月完成标准的送审稿和编制说明。

202208月15日-16日，国家标准《增材制造用高熵合金粉》审定会由全国有色金属标准化技术委员会和全国增材制造标准化技术委员会主持，于广州召开。会议对标准送审稿进行了认真、细致的讨论。与会专家经过讨论后一致认为：本标准的制定遵循了满足用户需求、技术内容合理、检验方法可行的原则，并且充分考虑了生产企业、使用单位及相关各方的意见和建议。本标准对我国增材制造用高熵合金粉具有较强的规范和指导作用，达到了国内先进水平。

 三、标准内容

标准选取应用较为广泛且相对成熟的高熵合金粉末，批量化生产增材制造用高熵合金粉末的牌号主要有FeCoNiCrMn、FeCoNiCrAl、FeCoNiCrTi、FeCoNiCrMo、FeCoNiCr，这五种高熵合金化学成分中各主元素按照等原子比或近原子比构成，然后换算成对应的质量分数;杂质元素主要包含氧、氮气体元素以及碳、磷、硫等杂质。通过调研相关单位生产的高熵合金粉末化学成分报告以及实际应用需求设置恰当合理的化学成分范围。其中产品中主元素Fe、Mn、Ni、Mo、Co、Cr、Al、Ti以及杂质元素C、S、P、O、N含量分析按供需双方协商确定的方法进行。

高熵合金粉主要采用真空感应熔炼惰性气体雾化法、等离子旋转电极法等工艺进行制备，不同工艺所制备的高熵合金粉的粒度区间有差别，但可通过筛分进行粒度调节。根据激光粉末床熔融、电子束粉末床熔融以及激光定向能量沉积等不同工艺技术要求，参考江苏威拉里新材料科技有限公司、矿冶科技集团有限公司、北京科技大学、盘星新型合金材料(常州)有限公司、浙江亚通焊材有限公司、宁波众远新材料科技有限公司、西安赛隆金属材料有限责任公司等7家单位提供的产品数据，充分讨论后确定产品的粒度应符合表1的规定。

粉末松装密度是粉末在规定条件下自由充满标准容器后所测得的堆积密度，即粉末松散填装时单位体积的质量，是粉末的一种工艺性能。松装密度是粉末多种性能的综合体现，可以反映出粉末的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末的粒度及粒度分布等。粉末颗粒形状越规则、颗粒表面越光滑、颗粒越致密，粉末的松装密度会越大。通常情况，松装密度随颗粒尺寸的减小、颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小。较高的粉末松装密度有利于增材制造工艺的设置和优化，并确保增材制造最终产品的致密度达到目标产品要求。

产品的松装密度应符合表2的规定。

振实密度是粉末在容器中经过机械振动达到较理想排列状态的粉末密度，其相对于松装密度增大的百分数是粉末多种物理性能，如粉末粒度及其分布、颗粒形状及其表面粗糙度、比表面积等的综合体现。粉末振实密度越大，说明粉末的相对流动性越好。

产品的振实密度应符合表3的规定。

流动性是指以一定量粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间，通常采用霍尔流速漏斗，流动性单位为s/50g，表征粉末流动的难易程度，数值越小流动性越好。粉末的粒度、湿度、静电以及粉末是否为球形均会影响粉末的流动特性。无论对于铺粉还是送粉的增材制造工艺，粉末的流动性均会影响增材制造过程和制件性能。

产品的流动性应符合表4的规定。

产品的外观呈灰色或黑灰色，应无结块，无目视可见夹杂物。

 四、标准实施意义

本标准的制定有效规范了增材制造用高熵合金粉末的生产、检验、包装等内容，大大提高了增材制造用高熵合金粉末的产品质量，推进了粉末的市场应用。针对不同增材制造工艺的要求，对高熵合金粉末的化学成分及物理化学性能进行了规定，解决了当前增材制造用高熵合金粉末无标准可依、粉末性能参差不齐的问题。

本标准实施后，对我国增材制造工业领域所需的高熵合金粉的要求更加合理规范，有利于提升增材制造高熵合金粉的各项性能指标，使我国高熵合金粉的增材制备技术和整体性能达到国际先进水平，实现有标准可查、有据可依，同时可以满足发动机工业、硬质刀具工业、海洋工程、核工业等工业领域的复杂金属零件关键原材料需求，并对推进高性能高熵合金粉的发展和应用起到积极的促进作用。

文章来源： 有色标准计量质量