高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，又稱超級合金。其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。它們最初是為渦輪噴氣發(fā)動機(jī)中的燃?xì)廨啓C(jī)組件開發(fā)，現(xiàn)在已廣泛用于航空航天和能源領(lǐng)域。不過，高溫合金的制造工藝窗口很窄，通常在冗長且高昂的繁復(fù)工序后，再通過機(jī)加工才能得到最終的部件。
01
3D打印或?qū)氐赘淖兏邷睾辖鸺庸み^程
02
高溫合金3D打印材料和制造設(shè)計(jì)
粉末床熔融技術(shù)多尺度、多物理現(xiàn)象示意圖
此外，大多數(shù)常規(guī)高溫合金無法輕松地從熔模鑄造過渡到3D打印制造，因?yàn)樗鼈兙厌槍μ囟ǖ募庸ぢ肪€（如鍛造、焊接和鑄造）進(jìn)行了優(yōu)化。由于3D打印過程的快速重復(fù)熱循環(huán)，可以通過成分計(jì)算數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式設(shè)計(jì)出針對3D打印工藝參數(shù)的新成分，從而針對高冷卻速率調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和性能。因此，針對3D打印進(jìn)行了優(yōu)化且旨在減輕冶金缺陷（如關(guān)鍵高溫部件中的氣孔和裂紋）的新型牌號的超級合金，對于成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化至關(guān)重要。
03
高溫合金3D打印面臨科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)
我們設(shè)想合金成分和制造模型都經(jīng)過了精心設(shè)計(jì)，打印策略也經(jīng)過了優(yōu)化，那么便有可能制造出高質(zhì)量的零件，但實(shí)際上仍面臨科學(xué)問題和技術(shù)問題的挑戰(zhàn)。
3D打印技術(shù)面臨的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)
3D打印面臨的科學(xué)方面的挑戰(zhàn)包括粉末流動性和粉末粒度分布、與熱源的相互作用、形成的分層微觀結(jié)構(gòu)、減少缺陷和更好地量化冶金特征。技術(shù)方面的挑戰(zhàn)包括工藝參數(shù)優(yōu)化、實(shí)時監(jiān)控、鑒定標(biāo)準(zhǔn)的建立、高通量測試和放大組件的制造。3D打印用高溫合金的設(shè)計(jì)必須兼顧可制造性、力學(xué)一致性、穩(wěn)定性和成本。
這些問題最好使用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來解釋從金屬粉末特性到大自由度的打印策略等復(fù)雜工藝參數(shù)對制造過程的影響，這離不開數(shù)據(jù)科學(xué)、基于物理的建模、過程建模和人工智能的支持。3D打印的更多技術(shù)層面，如原材料和后處理過程對實(shí)現(xiàn)包括減少缺陷和保障質(zhì)量在內(nèi)的組件一致性至關(guān)重要。在商業(yè)過程中使用3D打印工藝雖然不需要太基礎(chǔ)的研究，但仍需要多尺度過程建模、改進(jìn)現(xiàn)場監(jiān)控和后處理手段，并采用全面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，特別是因?yàn)檫@些合金是專為航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)而設(shè)計(jì)的。
高溫合金3D打印材料設(shè)計(jì)方法要求使用從粉末加工到熔化，以及從打印策略到熱處理的所有數(shù)據(jù)，這些都是以有意識地設(shè)計(jì)成分和加工路線的名義來實(shí)現(xiàn)缺陷最小、浪費(fèi)最少以及理想的微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。這種制造方法將為設(shè)計(jì)高性能結(jié)構(gòu)金屬部件提供更為周到和高效的方法，同時尊重環(huán)境并促進(jìn)可持續(xù)性發(fā)展。
轉(zhuǎn)載自3D打印技術(shù)參考
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