研究人员使用SLM技术3D打印单晶镍,未来将广泛用于金属合金

2022 年 06 月 16 日

       2022年6月14日,一组日本研究人员,正在研究使用选择性激光熔化(SLM)技术,使用纯镍基材料3D打印单晶结构。多年来,对3D打印镍基高温合金(如因科镍合金)的需求不断增长。这些高温金属通常具有出色的机械性能、耐腐蚀性和抗蠕变性,通常在500°C以上的温度范围内工作。因此,它们是航空航天领域的首选材料,可广泛用于制造涡轮叶片等喷气发动机部件的材料。
        单晶涡轮叶片,能够在比晶体涡轮叶片在高得多的温度下运行。但迄今为止,这种镍基单晶高温合金的3D打印技术还难以实现。虽然它们可以通过电子束熔化(EBM)进行加工,但使用 SLM等基于激光的技术,通常需要使用单晶种(构建板)。

使用平顶激光轮廓来3D打印单晶镍,而不需要单晶构建板
控制晶粒形成的困难
      使用SLM打印时,密切控制零件的晶界、应变抑制和纹理均匀性是一个棘手的过程。这可以归因于该技术固有的陡峭热梯度,即顶层被快速加热,下面的层更冷,并且两者之间的热导率有限。重复的热循环导致高应变和位错密度,导致内部动态结晶和新晶粒的形成。对于更精确的微观结构控制,尤其是为了获得单晶,人们要么需要微调扫描策略,要么从一开始就使用单晶种。据研究人员称,基于高斯的光束轮廓,通常用于控制SLM中的纹理和微结构,但目前还没有针对平顶光束轮廓的研究。

该研究的更多细节可以在题为“通过平顶激光束选择性激光熔化制造纯镍单晶”的论文中找到。
     3D打印均质单晶镍
      在本研究中,日本团队使用SLM Solutions SLM 280 HL打印机,在Ar环境中生产纯镍结构。首先,多晶镍板用于检查单个平顶激光轨迹的行为,这使团队能够估计后续熔池的形状。测量熔池深度,并观察熔池几何形状,在多晶不锈钢304构建板上进行打印。由Ni制成的圆柱形试样,每个试样都经过研磨和抛光,并使用电子显微镜(SEM)成像和电子背散射衍射(EBSD),进行微观结构研究。通过优化平面熔池,该团队在不依赖单晶构建板的情况下,成功地实现了3D打印,由纯镍制成的均质单晶结构。研究人员表示,这项工作为如何使用各种参数控制SLM工艺中的微观结构,及其相关特性提供了新的见解,特别是在确保单晶结构方面。在未来的研究中,这些发现将应用于更广泛的金属合金。

平顶构建的(a-c) FT1、(d-f) FT2和(g-i)高斯构建的G1内核平均偏差图(KAM)
 关于金属3D打印的研究
      清华大学和新加坡国立大学的一个团队,最近研究了流体流动对金属3D打印零件机械性能的影响。虽然温度梯度和凝固速度等因素,已得到充分研究,但尚未研究该技术部件熔池中流体流动的影响。在其他地方,一组国际研究人员,最近更深入地研究了金属3D打印背后的基础物理,所有这些都是为了更好地,了解打印部件中的缺陷。在零件性能至关重要的关键行业中,孔隙可能会限制可打印的零件类型。因此,需要人们不断在3D打印中,开发更好的预测缺陷和缓解技术。

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