3D打印鎳基單晶高溫合金

作者： 徐文梁、魯中良

鎳基單晶高溫合金是航空航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，用于高溫零部件的制造。目前，這些零部件的制備工藝主要以定向凝固精密鑄造為主。對(duì)金屬3D打印技術(shù)而言，能否實(shí)現(xiàn)單晶組織的連續(xù)生長(zhǎng)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。以往的研究主要集中在利用3D打印技術(shù)分層疊加原理，對(duì)單晶基體（如燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片）進(jìn)行修復(fù)，目前可以實(shí)現(xiàn)成形若干層單晶組織。近期，法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)的研究者采用電子束選區(qū)熔化技術(shù)，通過對(duì)工藝條件的嚴(yán)格控制，成功制備出較大體積單晶組織的鎳基高溫合金。

圖1 制備的試樣: （a）試樣宏觀形貌（尺寸為23×23×30 mm）;（b）試樣頂層截面形貌；（c）枝晶形貌

據(jù)研究人員報(bào)到，該研究成功的秘訣是采用了精確的工藝參數(shù)控制合金的熔化及凝固過程。研究者認(rèn)為，所采用的工藝為何能夠制備出單晶仍需要深入分析，初步認(rèn)為是所采用的掃描策略對(duì)晶粒的生長(zhǎng)具有選擇效果，因而能夠?qū)崿F(xiàn)單晶的制備。由圖1可以看出，制備的塊狀試樣上部縱截面上，枝晶細(xì)密且連續(xù)生長(zhǎng)，沒有明顯的裂紋等缺陷。圖2展示了試樣縱截面的晶粒取向分析結(jié)果，從中可以看出，試樣的底部有柱狀晶定向生長(zhǎng)，外表面亦由于工藝條件沒有形成單晶，而在上半部分的中間部位則為單晶組織。

圖2 試樣的縱截面晶粒取向分析

該研究突破了較大體積鎳基高溫合金單晶組織的3D打印，使3D打印技術(shù)用于單晶高溫合金零部件的制造成為可能，對(duì)于3D打印技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域熱端零部件的制造具有重要意義。但是，以目前公開報(bào)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，采用3D打印成形高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶高溫合金零件還需深入研究。

參考文獻(xiàn)
K.Gnanasekaran, T. Heijmans, S. van Bennekom, H. Woldhuis, S. Wijnia, G. de With, H. Friedrich. 3D printing of CNT- and graphene-based conductive polymer nanocomposites by fused deposition modeling. Applied Materials Today 9 (2017) 21–28.
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2352940717300586

原創(chuàng)： 徐文梁、魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室