研究人員使用SLM技術(shù)3D打印單晶鎳，未來(lái)將廣泛用于金屬合金

2022年6月14日，南極熊獲悉，一組日本研究人員，正在研究使用選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)，使用純鎳基材料3D打印單晶結(jié)構(gòu)。

多年來(lái)，對(duì)3D打印鎳基高溫合金（如因科鎳合金）的需求不斷增長(zhǎng)。這些高溫金屬通常具有出色的機(jī)械性能、耐腐蝕性和抗蠕變性，通常在500°C以上的溫度范圍內(nèi)工作。因此，它們是航空航天領(lǐng)域的首選材料，可廣泛用于制造渦輪葉片等噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件的材料。

單晶渦輪葉片，能夠在比晶體渦輪葉片在高得多的溫度下運(yùn)行。但迄今為止，這種鎳基單晶高溫合金的3D打印技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)。雖然它們可以通過(guò)電子束熔化(EBM)進(jìn)行加工，但使用 SLM等基于激光的技術(shù)，通常需要使用單晶種（構(gòu)建板）。

△使用平頂激光輪廓來(lái)3D打印單晶鎳，而不需要單晶構(gòu)建板

控制晶粒形成的困難
使用SLM打印時(shí)，密切控制零件的晶界、應(yīng)變抑制和紋理均勻性是一個(gè)棘手的過(guò)程。這可以歸因于該技術(shù)固有的陡峭熱梯度，即頂層被快速加熱，下面的層更冷，并且兩者之間的熱導(dǎo)率有限。

重復(fù)的熱循環(huán)導(dǎo)致高應(yīng)變和位錯(cuò)密度，導(dǎo)致內(nèi)部動(dòng)態(tài)結(jié)晶和新晶粒的形成。對(duì)于更精確的微觀結(jié)構(gòu)控制，尤其是為了獲得單晶，人們要么需要微調(diào)掃描策略，要么從一開(kāi)始就使用單晶種。

據(jù)研究人員稱(chēng)，基于高斯的光束輪廓，通常用于控制SLM中的紋理和微結(jié)構(gòu)，但目前還沒(méi)有針對(duì)平頂光束輪廓的研究。

△該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“通過(guò)平頂激光束選擇性激光熔化制造純鎳單晶”的論文中找到。https://www.sciencedirect.com/sc ... S2772369022000408#!（點(diǎn)我傳送門(mén)）

3D打印均質(zhì)單晶鎳
在本研究中，日本團(tuán)隊(duì)使用SLM Solutions SLM 280 HL打印機(jī)，在Ar環(huán)境中生產(chǎn)純鎳結(jié)構(gòu)。首先，多晶鎳板用于檢查單個(gè)平頂激光軌跡的行為，這使團(tuán)隊(duì)能夠估計(jì)后續(xù)熔池的形狀。

測(cè)量熔池深度，并觀察熔池幾何形狀，在多晶不銹鋼304構(gòu)建板上進(jìn)行打印。由Ni制成的圓柱形試樣，每個(gè)試樣都經(jīng)過(guò)研磨和拋光，并使用電子顯微鏡(SEM)成像和電子背散射衍射(EBSD)，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究。

通過(guò)優(yōu)化平面熔池，該團(tuán)隊(duì)在不依賴(lài)單晶構(gòu)建板的情況下，成功地實(shí)現(xiàn)了3D打印，由純鎳制成的均質(zhì)單晶結(jié)構(gòu)。

研究人員表示，這項(xiàng)工作為如何使用各種參數(shù)控制SLM工藝中的微觀結(jié)構(gòu)，及其相關(guān)特性提供了新的見(jiàn)解，特別是在確保單晶結(jié)構(gòu)方面。在未來(lái)的研究中，這些發(fā)現(xiàn)將應(yīng)用于更廣泛的金屬合金。

△平頂構(gòu)建的(a-c) FT1、(d-f) FT2和(g-i)高斯構(gòu)建的G1內(nèi)核平均偏差圖(KAM)

關(guān)于金屬3D打印的研究
清華大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，最近研究了流體流動(dòng)對(duì)金屬3D打印零件機(jī)械性能的影響。雖然溫度梯度和凝固速度等因素，已得到充分研究，但尚未研究該技術(shù)部件熔池中流體流動(dòng)的影響。

在其他地方，一組國(guó)際研究人員，最近更深入地研究了金屬3D打印背后的基礎(chǔ)物理，所有這些都是為了更好地，了解打印部件中的缺陷。在零件性能至關(guān)重要的關(guān)鍵行業(yè)中，孔隙可能會(huì)限制可打印的零件類(lèi)型。因此，需要人們不斷在3D打印中，開(kāi)發(fā)更好的預(yù)測(cè)缺陷和緩解技術(shù)。