NIMS和大阪大學金屬3D打印鎳單晶，加速航空發(fā)動機發(fā)展

2022年7月27日，南極熊獲悉，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。
技術難題
根據之前的研究進展，人們可以使用電子束增材制造制造單晶。然而，該技術需要昂貴的設備，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備進行激光3D打印，但以前使用這種技術制造單晶，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，相應的紋理分別顯示在(d, h, l)。所有的IPF都是沿BD軸設置的

新的技術
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變誘導缺陷的形成。發(fā)現該問題歸因于傳統(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，產生的圓柱形單晶物體。（右）可以應用平頂激光束形成以相同取向排列的晶體，而應用傳統(tǒng)的高斯激光束會導致晶粒取向較小

未來發(fā)展
這種新技術可以最大限度地減少，晶體在凝固過程中的應變產生和開裂。此外，該技術不需要使用晶種，從而簡化了增材制造工藝。除了鎳，這種激光增材制造技術，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》（點我傳送門）

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，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)電應用的單晶體。