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顶刊评述:金属3D打印或成高温合金的颠覆性技术!

2020年05月22日 16:56来源:未知手机版

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金属3D打印技术(又称增材制造)可高效制造复杂的几何结构且减少损耗,对于高温合金而言很有吸引力,尤其是应用于多孔或中空的航空航天部件。5月11日,Roger Reed院士团队受邀在顶级期刊《Nature Communications》上以题为“Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys”发表评论文章,回顾高温合金的历史,讨论3D打印对高温合金的挑战,并对该方向今后的发展进行展望。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16188-7

>高温合金,又称为超合金,广泛应用于航天航空和能源领域的核心部件中。其设计通常由镍/钴/铁为基体,添加多种元素进行强化,使其具有优异的高温性能,以及组织稳定性,可以在极端工作条件下长时间服役。不过,高温合金的制造工艺窗口很窄,通常在冗长且高昂的繁复工序后,再通过机加工才能得到最终的部件。

金属3D打印技术则可以减少耗材,并且省去大量模具,通过数字化设计实现(近)净成形部件。然而,此间挑战重重。一般的金属材料采用3D打印技术后,例如激光选区熔化(SLM),其机械性能会出现不同程度的损失,这主要源于各类缺陷的形成,例如微裂纹,气泡等。这对高温合金而言极为重要,因为服役部件的失效方式通常为蠕变或疲劳断裂,而这些性能又对缺陷十分敏感,所以有必要从根本上抑制这些缺陷的产生。

>图一:粉床熔融增材制造的多尺度多物理示意图

主要的挑战可分为科学问题和技术问题两方面。由于3D打印本身是多物理问题,且跨越不同时间与空间尺度。例如,热源在粉床的移动过程中,固、液、气、等离子体四种物质形态可同时相互作用。目前极少有物理模型涵盖此等复杂性。与此同时,工艺上也有诸多挑战仍待解决,下图总结了主要的几点,例如高效的动态实时监测,无损检测,高通量测试等。

>图二:金属增材制造中主要的科学问题与技术问题

面对增材制造中极高速率的热循环与重熔,现有的高温合金很难适应,这毕竟与传统合金的设计理念截然不同。因此,想要有效利用金属3D打印技术的便利,设计新型的可适用于增材制造的合金成分是不可或缺的。同时,数据驱动的方法有望在物理、工艺模拟等方面提供更好的解决方案。全面的工业标准的制定与实施也可以为行业注入动力。

感谢本文作者Chinnapat Panwisawas, Yuanbo T. Tang, Roger C.Reed对本文的大力支持。

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