研究人員使用SLM技術3D打印單晶鎳，未來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，使用純鎳基材料3D打印單晶結構。

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

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行。但迄今為止，這種鎳基單晶高溫合金的3D打印技術還難以實現(xiàn)。雖然它們可以通過電子束熔化(EBM)進行加工，但使用 SLM等基于激光的技術，通常需要使用單晶種（構建板）。

△使用平頂激光輪廓來3D打印單晶鎳，而不需要單晶構建板

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

重復的熱循環(huán)導致高應變和位錯密度，導致內部動態(tài)結晶和新晶粒的形成。對于更精確的微觀結構控制，尤其是為了獲得單晶，人們要么需要微調掃描策略，要么從一開始就使用單晶種。

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

△該研究的更多細節(jié)可以在題為“通過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#!（點我傳送門）

3D打印均質單晶鎳
在本研究中，日本團隊使用SLM Solutions SLM 280 HL打印機，在Ar環(huán)境中生產(chǎn)純鎳結構。首先，多晶鎳板用于檢查單個平頂激光軌跡的行為，這使團隊能夠估計后續(xù)熔池的形狀。

測量熔池深度，并觀察熔池幾何形狀，在多晶不銹鋼304構建板上進行打印。由Ni制成的圓柱形試樣，每個試樣都經(jīng)過研磨和拋光，并使用電子顯微鏡(SEM)成像和電子背散射衍射(EBSD)，進行微觀結構研究。

通過優(yōu)化平面熔池，該團隊在不依賴單晶構建板的情況下，成功地實現(xiàn)了3D打印，由純鎳制成的均質單晶結構。

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

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

關于金屬3D打印的研究
清華大學和新加坡國立大學的一個團隊，最近研究了流體流動對金屬3D打印零件機械性能的影響。雖然溫度梯度和凝固速度等因素，已得到充分研究，但尚未研究該技術部件熔池中流體流動的影響。

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