頂刊評述：金屬3D打印或成高溫合金的顛覆性技術(shù)！

發(fā)布時(shí)間：2020-07-21瀏覽次數：38次

金屬3D打印技術(shù)可高效制造復雜結構同時(shí)節省材料，對于高溫合金而言很有吸引力，尤其是應用于多孔或中空的航空航天部件。5月11日，國際著(zhù)名高溫合金專(zhuān)家、國際高溫合金學(xué)會(huì )主席、英國伯明翰大學(xué)材料冶金系Roger C. Reed教授研究團隊受邀在頂級期刊《Nature Communications》上發(fā)表評論文章，回顧高溫合金的歷史，討論3D打印對高溫合金的挑戰，并對該方向今后的發(fā)展進(jìn)行展望。

高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長(cháng)期工作的一類(lèi)金屬材料，又稱(chēng)超級合金。其具有優(yōu)異的高溫強度，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。它們最初是為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機中的燃氣輪機組件開(kāi)發(fā)，現在已廣泛用于航空航天和能源領(lǐng)域。不過(guò)，高溫合金的制造工藝窗口很窄，通常在冗長(cháng)且高昂的繁復工序后，再通過(guò)機加工才能得到最終的部件。

3D打印或將徹底改變高溫合金加工過(guò)程

傳統上，制造是高溫合金應用的“致命弱點(diǎn)”，如果不進(jìn)行冗長(cháng)而昂貴的鑄件減材制造，就無(wú)法獲得結構上的良好性能。當今社會(huì )人們仍然在使用可以追溯到古代的精密熔模鑄造工藝。精密鑄造涉及多種化學(xué)和工藝控制，在鑄造和隨后的零件機加工過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的廢料，以渦輪葉片為例，大約只有10％的高溫合金會(huì )變成最終成品。

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葉片的鑄造工藝步驟非常繁瑣（圖為陶瓷芯的蜂蠟葉片）

3D打印作為一種新的材料成型方式，可使高溫合金的加工過(guò)程發(fā)生根本變化，不僅減少了制造步驟更能節省大量材料。在激光和計算機輔助制造條件下，材料能夠逐點(diǎn)逐層成型，從而賦予了工程人員更高的設計自由度，與減材制造相比，空心、點(diǎn)陣和泡沫結構因此成為可能。

葉片的數控加工方法會(huì )造成大量材料浪費

此外，3D打印在微米尺度和時(shí)間尺度上熔化和重熔金屬粉末，可產(chǎn)生極高的冷卻速度，這與傳統的冶金過(guò)程有很大不同，材料在凝固過(guò)程中就消除了傳統工藝中出現的枝晶偏析，同時(shí)抑制了γ'相沉淀。這為設計新的熱處理方案來(lái)優(yōu)化析出相，獲得與3D打印超級合金高強度相關(guān)的理想微結構創(chuàng )造了條件。

高溫合金3D打印材料和制造設計

然而，3D打印在高溫合金復雜空心結構（如噴氣渦輪葉片）中的廣泛應用仍不是一件簡(jiǎn)單的事。為了成功利用高溫合金中3D打印技術(shù)，我們需要對工藝的科學(xué)性有更好的理解；然而目前該技術(shù)在許多方面仍然是模糊的，金屬3D打印技術(shù)的基本原理涉及跨越長(cháng)度和時(shí)間尺度的多種物理和化學(xué)現象。例如，當激光與金屬粉末接觸時(shí)，物質(zhì)的所有四種可能狀態(tài)——固、液、氣和等離子體發(fā)生相互作用，而且幾乎沒(méi)有任何物理模型可以展現這種復雜性。此外，快速和重復的熱循環(huán)會(huì )導致強烈的溫度梯度，從而導致亞穩態(tài)的化學(xué)、結構和機械狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)危及性能的冶金缺陷。

粉末床熔融技術(shù)多尺度、多物理現象示意圖

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在增材制造過(guò)程中發(fā)生的不同物理效應和相關(guān)物理過(guò)程包括：氣體膨脹引起的粉末顆粒動(dòng)力學(xué)、與激光相互作用時(shí)捕獲固-液-汽相轉變的熱流體動(dòng)力學(xué)、固相轉化以及開(kāi)裂等損傷機理。

此外，大多數常規高溫合金無(wú)法輕松地從熔模鑄造過(guò)渡到3D打印制造，因為它們均已針對特定的加工路線(xiàn)（如鍛造、焊接和鑄造）進(jìn)行了優(yōu)化。由于3D打印過(guò)程的快速重復熱循環(huán)，可以通過(guò)成分計算數據驅動(dòng)的方式設計出針對3D打印工藝參數的新成分，從而針對高冷卻速率調整微觀(guān)結構和性能。因此，針對3D打印進(jìn)行了優(yōu)化且旨在減輕冶金缺陷（如關(guān)鍵高溫部件中的氣孔和裂紋）的新型牌號的超級合金，對于成功實(shí)現商業(yè)化至關(guān)重要。

高溫合金3D打印面臨科學(xué)和技術(shù)挑戰

我們設想合金成分和制造模型都經(jīng)過(guò)了精心設計，打印策略也經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，那么便有可能制造出高質(zhì)量的零件，但實(shí)際上仍面臨科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題的挑戰。

3D打印技術(shù)面臨的科學(xué)和技術(shù)挑戰

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3D打印面臨的科學(xué)方面的挑戰包括粉末流動(dòng)性和粉末粒度分布、與熱源的相互作用、形成的分層微觀(guān)結構、減少缺陷和更好地量化冶金特征。技術(shù)方面的挑戰包括工藝參數優(yōu)化、實(shí)時(shí)監控、鑒定標準的建立、高通量測試和放大組件的制造。3D打印用高溫合金的設計必須兼顧可制造性、力學(xué)一致性、穩定性和成本。

這些問(wèn)題最好使用數據驅動(dòng)的方法來(lái)解釋從金屬粉末特性到大自由度的打印策略等復雜工藝參數對制造過(guò)程的影響，這離不開(kāi)數據科學(xué)、基于物理的建模、過(guò)程建模和人工智能的支持。3D打印的更多技術(shù)層面，如原材料和后處理過(guò)程對實(shí)現包括減少缺陷和保障質(zhì)量在內的組件一致性至關(guān)重要。在商業(yè)過(guò)程中使用3D打印工藝雖然不需要太基礎的研究，但仍需要多尺度過(guò)程建模、改進(jìn)現場(chǎng)監控和后處理手段，并采用全面的工業(yè)標準，特別是因為這些合金是專(zhuān)為航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)而設計的。

高溫合金3D打印材料設計方法要求使用從粉末加工到熔化，以及從打印策略到熱處理的所有數據，這些都是以有意識地設計成分和加工路線(xiàn)的名義來(lái)實(shí)現缺陷最小、浪費最少以及理想的微觀(guān)結構-性能關(guān)系。這種制造方法將為設計高性能結構金屬部件提供更為周到和高效的方法，同時(shí)尊重環(huán)境并促進(jìn)可持續性發(fā)展。

轉載自3D打印技術(shù)參考

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