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技術(shù)前沿

金屬3D打印鎳單晶,加速航空發(fā)動機發(fā)展

來源:南極熊3D打印網(wǎng)2022-08-01 我要評論(0 )   

2022年7月27日,NIMS(國立材料科學研究所)和大阪大學工程研究生院,通過用大半徑平頂激光束照射鎳粉,使用選擇性激光熔化 (SLM) ,成功制造出晶體缺陷很少的鎳單晶體...

2022年7月27日,NIMS(國立材料科學研究所)和大阪大學工程研究生院,通過用大半徑平頂激光束照射鎳粉,使用選擇性激光熔化 (SLM) ,成功制造出晶體缺陷很少的鎳單晶體。

△2017年西門子完成全球首個3D打印渦輪葉片試驗,隨著該技術(shù)的高速發(fā)展,航空迫切需求耐高溫發(fā)動機部件解決方案

該技術(shù)可用于制造多種單晶材料,包括用于噴氣發(fā)動機和燃氣輪機的耐熱材料。


技術(shù)難題

根據(jù)之前的研究進展,人們可以使用電子束增材制造制造單晶。然而,該技術(shù)需要昂貴的設(shè)備,并且由于需要真空操作,這種工藝操作成本也很高,從而限制了其廣泛使用。盡管可以使用更便宜的設(shè)備進行激光3D打印,但以前使用這種技術(shù)制造單晶,都已失敗告終。

△(a), (e), (i)顯示了垂直于BD的截面上的IPF圖,相應(yīng)的紋理分別顯示在(c), (g), (k)。(b), (f), (i)顯示了橫跨BD的截面上的IPF圖,相應(yīng)的紋理分別顯示在(d, h, l)。所有的IPF都是沿BD軸設(shè)置的。


新技術(shù)

當用激光束照射金屬粉末原料時,它會熔化,形成固液界面。難以在界面附近沿相同方向生長晶粒,并防止由它們的凝固引起的應(yīng)變誘導缺陷的形成。發(fā)現(xiàn)該問題歸因于傳統(tǒng)高斯激光束的強度分布(即,激光束在光束的橫截面上具有鐘形強度),這導致形成由取向較小的晶粒組成的多晶許多晶界。

該研究團隊使用SLM Solutions制造的商用SLM 280 3D打印機,成功地使用平頂激光束制造了單晶,在鎳粉上形成了平坦的熔池表面。單個晶粒以相同的方向生長,具有較少的應(yīng)變誘導缺陷。沒有晶界的單晶容易開裂,并且在高溫下非常堅固。

△從左到右:激光束照射在粉末床上,產(chǎn)生的圓柱形單晶物體。(右)可以應(yīng)用平頂激光束形成以相同取向排列的晶體,而應(yīng)用傳統(tǒng)的高斯激光束會導致晶粒取向較小


未來發(fā)展

這種新技術(shù)可以最大限度地減少,晶體在凝固過程中的應(yīng)變產(chǎn)生和開裂。此外,該技術(shù)不需要使用晶種,從而簡化了增材制造工藝。除了鎳,這種激光增材制造技術(shù),還可用于將其他金屬和合金加工成單晶物體。

△該團隊的研究結(jié)果已發(fā)表在Additive Manufacturing Letters,題目為《通過平頂激光束選擇性激光熔化制造純鎳單晶體》https://www.nanjixiong.com/thread-155903-1-1.html

隨著對高溫部件(如噴氣發(fā)動機)使用的增加,對通過3D打印開發(fā)鎳基高溫合金部件的需求也在增加。由于單晶在高溫下比多晶更堅固,因此它們作為耐熱材料的實際應(yīng)用很有發(fā)展前景。最后,使用更便宜和可以廣泛使用的3D打印技術(shù),與其他金屬和合金一起使用,加速耐熱噴氣發(fā)動機部件的開發(fā),以創(chuàng)建一系列非常適合航空航天和發(fā)電應(yīng)用的單晶體。


參考資料:https://doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100066


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