研究人員使用SLM技術(shù)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(shù),，使用純鎳基材料3D打印單晶結(jié)構(gòu),。

多年來,，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(jié)構(gòu)，但目前還沒有針對(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）

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,。

通過優(yōu)化平面熔池，該團(tuán)隊(duì)在不依賴單晶構(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)特性提供了新的見解，特別是在確保單晶結(jié)構(gòu)方面,。在未來的研究中,，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型,。因此,，需要人們不斷在3D打印中，開發(fā)更好的預(yù)測(cè)缺陷和緩解技術(shù),。