用于 3D 打印的抗缺陷高温合金
点击量：376 发布时间：2022-01-13 作者：状迈（上海）增材制造技术有限公司
近年来，使用激光束和电子束来“打印”传统制造路线无法实现的具有复杂形状的工程对象已成为可能。用于金属材料的增材制造 (AM) 工艺（被广泛称为 3D 打印）涉及在亚毫米级“池”中熔化和融合细小的粉末颗粒——每个颗粒比当地海滩沙粒细十倍左右。通过将激光或电子束聚焦在材料上。
“高度聚焦的光束提供了精确的控制，能够‘调整’打印物体关键位置的特性，”工程学院材料教授兼副院长 Tresa Pollock 说。“不幸的是，在能源、空间和核应用中遇到的极端热密集和化学腐蚀性环境中使用的许多先进金属合金与增材制造工艺不兼容。”
对于从事先进金属材料和涂层研究的世界知名科学家波洛克来说，发现新的增材制造兼容材料的挑战是不可抗拒的。 “这很有趣，因为一套高度相容的合金可以改变具有高经济价值的金属材料的生产——即昂贵的材料，因为它们的成分在地壳中相对稀有——通过使几何复杂的设计能够以最少的物质浪费。”
“大多数在极端环境中发挥作用的超高强度合金都无法打印，因为它们会开裂，” UCSB的 ALCOA 杰出材料教授波洛克说。“当物体仍在打印时，它们可能会在液体状态下破裂，或者在材料被取出并进行一些热处理后，它们可能会在固态状态下破裂。这阻止了人们使用我们目前在以下应用中使用的合金，例如飞机发动机，打印新设计，例如，可以显着提高性能或能源效率。”
现在，在 Nature Communications 上一篇题为“用于 3D 打印的抗缺陷 Co-Ni 高温合金”的文章中，Pollock 与 Carpenter Technologies、橡树岭国家实验室、UCSB 员工科学家 Chris Torbet 和 Gareth Seward 以及 UCSB 博士生 Sean合作Murray、Kira Pusch 和 Andrew Polonsky 描述了一类新的高温合金，它克服了这种开裂问题，因此，对于推进使用增材制造生产用于高应力、高性能的复杂一次性部件具有巨大的希望环境。
这项研究得到了波洛克于 2017 年从美国国防部授予的 300 万美元的 Vannevar Bush 学院奖学金 (VBFF)的支持。VBFF 是国防部最负盛名的单一研究者奖，支持可能具有变革性的基础研究影响。
在论文中，作者描述了一类新的高强度、抗缺陷、可 3D 打印的超级合金（定义为典型的镍基合金，在高达其熔点 90% 的温度下保持其材料完整性，而不是对于大多数合金，它们在其熔化温度的 50% 时分解）含有大约等量的钴 (Co) 和镍 (Ni)，以及少量的其他元素。这些材料适用于通过电子束熔化 (EBM) 以及更具挑战性的激光粉末床方法进行无裂纹 3D 打印，使其广泛用于进入市场的大量打印机。
由于在高温下具有出色的机械性能，镍基高温合金是飞机发动机高温段中使用的单晶 (SX) 涡轮叶片和轮叶等结构部件的首选材料。Pollock 说，在该团队开发的一种高温合金的变体中，“高比例的钴使我们能够设计合金的液态和固态特性，使其与各种印刷条件兼容。”
