3D 打印可以有效地制造传统上难以实现的精细结构而不会产生浪费，例如镍基高温合金航空部件的中空几何形状。为了充分利用这种方法，我们必须转向新的合金和工艺。
 
     常规高温合金制造
     超级合金是一种基于镍、钴或铁的金属混合物家族，可抵抗高温变形、腐蚀和氧化，尤其是在接近其熔点的高温下运行时。它们最初是为涡轮喷气发动机中的燃气轮机部件开发的，现在广泛用于航空航天和发电行业的高温应用。为了实现这些高温特性（机械和化学），微观结构控制是至关重要的，具体的合金元素添加和精心的制造工艺相结合才能实现。
 
     镍基高温合金是最早和发展最好的高温合金系列，它依赖于由强化相组成的两相微观结构——称为 γ' 的 (Ni,Co)3(Al,Ti,Ta) 析出物（L12 晶体学）的分散体——生长在富含铬的镍基质中。也可以添加其他合金元素，例如耐火材料（Re、Mo、W）或准金属（B、C）。根据它们的化学性质，这些合金是人类设计的最复杂的合金。在传统加工过程中，这种关键的沉淀是在 1000–750 °C 温度范围内冷却期间通过扩散控制反应发生的。
 
     制造传统上是高温合金应用的“阿喀琉斯之踵”——如果没有通过加工铸件的冗长且昂贵的减材制造，就无法实现结构合理的机械性能。今天，我们仍然使用可追溯到古典时代的精密熔模铸造工艺。例如，要生产喷气发动机涡轮叶片，需要冷却通道的蜡模型和基于二氧化硅的复制品，以便为生产的每个部件创建陶瓷模具，在真空下将千克熔融金属浇铸到其中。冷却到环境条件需要几个小时，冷却过程中不可能抑制γ'析出物的析出；此外，需要在约 1300 °C 的温度下进行数小时的非常仔细的后续热处理 - 刚好低于熔化温度 - 以减少铸造过程中的化学枝晶偏析。最后，需要机加工来塑造最终复杂的涡轮叶片几何形状。熔模铸造工艺涉及多种化学和工艺控制，在铸造和涡轮零件的后续加工过程中会产生大量废料/碎屑：只有约 10% 的高温合金最终成为成品2。
 
      3D 打印作为高温合金的新加工途径
      使用 3D 打印或增材制造 (AM) 代替熔模铸造可以实现完全不同的加工，减少制造步骤并最大限度地减少加工浪费。在计算机辅助设计 (CAD) 系统的直接输入下，基于激光对直径几十微米的固体粉末进行逐层熔化和固结，赋予了迄今为止尚未开发的设计自由：中空结构、泡沫状或基于晶格的结构，以添加剂而不是减法方式更有效地使用材料。此外，增材制造工艺在微米长度和时间尺度上熔化和再熔化细粉，导致 103–106 °C/s 的高冷却速率和对加工的非常不同的冶金响应3。凝固产生非常细的蜂窝状而不是树枝状微观结构4，这实际上消除了传统加工中发现的树枝状偏析，消除了对化学均质化步骤的需要。 γ'的析出也受到剧烈冷却速率的抑制，允许在随后的热处理过程中调整纳米级析出以提高性能5。可以通过设计新的热处理方案来优化沉淀相，以获得与 AM 高温合金高强度相关的理想微观结构 6。
     然而，增材制造在用于复杂空心结构（如喷气涡轮叶片）的高温合金中的广泛应用仍然并不简单。为了在高温合金中成功利用增材制造技术，我们需要更好地了解工艺科学；它的许多方面是模糊的，因为 AM 的基本原理涉及跨长度和时间尺度的多种物理和化学现象（见图 1）。例如，当激光与金属粉末接触时，所有可能的四种物质状态（固体、液体、气体蒸汽和等离子体）都会相互作用 7，而且很少存在基于物理的模型来解决这种复杂性。此外，快速和重复的热循环的性质会导致强烈的热梯度，从而导致亚稳态的化学、结构和机械状态，从而引发冶金缺陷 8，从而危及性能 9。
      最后，大多数传统的高温合金不能轻易地从熔模铸造转移到 3D 打印，因为它们已经针对特定的加工路线进行了优化，例如。锻造、焊接和铸造。由于增材制造工艺的快速和重复热循环，可以通过计算组合工艺数据驱动的方法设计利用这些工艺参数的新组合物，以针对增材制造冷却速率定制微观结构和性能3。因此，针对 3D 打印优化并旨在减轻关键高温部件中的冶金缺陷（例如孔隙率和开裂 10）的新型超级合金是成功商业采用的关键。
   
     金属 3D 打印的材料和制造设计
     我们设想精心制定的计算机辅助设计模型以及基于模型的设计合金和优化的（实际上是空间变化的）3D 打印策略，以实现高附加值组件11。可以想象，如果所需的 3D 打印基础设施是分布式的（而不是集中式的）并且输入材料可用，那么这些将在本地打印。
     挑战既是科学的，也是技术的；图 2 中突出显示了一些关键的问题。这些问题最好使用数据驱动的方法来解决，以解决从金属粉末特性到打印策略的大自由度的复杂加工参数，这尊重数据科学、物理学方面取得的进步。基于建模、流程建模和人工智能12。 AM 的更多技术方面（例如起始粉末和加工策略）对于减少缺陷 13 和质量保证方面的组件一致性至关重要。虽然不太基本，但商业上实施 AM 工艺将需要多尺度工艺建模、改进的原位监测 14 和制造后处理，并采用综合工业标准，特别是因为这些合金设计用于关键任务应用航空和航天部门。
     考虑到所有这些，超级合金 AM 的材料设计方法需要使用从粉末加工到熔化和印刷策略再到后热处理的数据——所有这些都是为了有意识地设计成分和加工路线以实现最小的缺陷，最小的浪费，以及理想的微观结构-性能关系。这种制造方法将允许采用更周到、更有效的方法来设计高性能结构金属部件，同时尊重环境需求并促进可持续性。
图 1 粉末床融合 AM 中多尺度、多物理现象的示意图。 AM期间发生的不同物理效应和相关物理包括气体膨胀引起的粉末粒子动力学、与激光相互作用时捕获固-液-汽转变的热流体动力学、固态转变，例如重熔和固有热处理后的沉淀，以及随后的固体力学 处理开裂等损伤机制。

图 2 数字化设计的金属 3D 打印的科学和技术挑战，after7,13-15。 对加工科学的基本理解包括粉末流动性和粉末形状分布、与热源的相互作用、形成的分层微观结构、减少缺陷和更好地量化冶金特征。 技术方面的挑战包括工艺参数优化、实时监控、资格标准的建立、高通量测试和放大组件的制造。 AM 高温合金的设计必须在可制造性、机械完整性、稳定性和成本之间取得平衡。