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研究员开发出用于金属3D打印的新型抗裂纹镍基高温合金

来源:原创

发布时间:2021-01-08 10:58:58

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aau讯(编辑 王瑶)据外媒报道,加州大学圣塔芭芭拉分校携橡树岭国家实验室开发了一种用于金属3D打印的新型抗裂纹镍基超高温合金。

 

据了解,钴镍高温合金克服了裂纹的关键问题,裂纹可以困扰通过高温粉末床熔融技术(例如SLMEBM)制造的零件。科学家认为,他们的材料对于在高应力应用(包括关键的航空发动机组件和化学接触核组件)中发展工业3D打印具有“巨大的希望”。

加州大学圣塔芭芭拉分校的材料教授、工程学院副院长Tresa Pollock领导该研究项目。图片来自UC Santa Barbara

增材制造兼容性问题

谈到这项研究工作的动机,加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院副院长Tresa Pollock表示,现今许多与常规制造方法一起使用的先进合金根本无法与增材制造兼容。设计用于承受极端高温和化学腐蚀的高性能合金通常在制作过程中会遇到开裂问题,这主要是由于金属3D打印过程中存在的循环加热和冷却所导致的过多残余应力。

Pollock补充说:“在取出材料并进行一系列热处理后,物体仍在打印过程时,它们可能会在液态时破裂,或者在固态时会破裂。这使人们无法使用我们目前在飞机发动机等应用中使用的合金来打印新的设计,即使这些设计可能会大大提高性能或能源效率。”

基于开发与3D打印相容的高性能合金带来的挑战,Pollock和她的团队利用国防部支持的300万美元的Vannevar Bush教职研究员奖开始着手该项目的研究。

用于航空航天业的镍基超级合金

最终的配方最终含有大约等份的钴和镍,以及少量的其他元素,如铝和铬。目前,大多数合金在其熔融温度的约50%处开始机械劣化,但新开发的镍基高温合金在熔融温度的90%时仍保持其完整性,显示出约1.1GPa的拉伸强度和超过13%的更大断裂伸长率。

类似的镍基高温合金(例如因科镍合金)通常具有出色的机械性能、耐腐蚀性能和抗蠕变性,工作温度通常在500°C +范围内。因此,从历史上讲,材料类别已用于航空航天业中的单晶涡轮叶片的制造,在航空航天业中,高应力、高温环境是司空见惯的。 

在对基于激光的SLMEBM进行了材料测试之后,研究人员发现了他们的新型高温合金的无裂纹打印能力。Pollock解释说:“高比例的钴使我们能够设计合金的液态和固态状态的特征,使其与各种打印条件兼容。”

使用EBM(上排)和SLM(下排)打印的新开发的高温合金的SEM显微照片和图像。

尽管材料的进步无疑在3D打印的潜力中发挥了作用,但还有其他方法可以生产用于工业应用的无缺陷组件。例如,由中美两国研究人员组成的团队最近发现了一个“速度极限”,在该情况下,粉末床熔融过程中零件缺陷的发生可能性较小。通过使用X射线成像,科学家将扫描速度精确地映射到熔池,以确定可以最小化表面缺陷的“安全速度”。

 

Argonne National Laboratory的其他地方,研究人员开发了一种基于机器学习的创新方法来检测3D打印零件中的缺陷。利用实时温度数据以及预测算法,科学家能够在粉末床熔融过程中的热历史与表面缺陷的形成之间建立关联关系。该方法可以允许潜在用户在打印参数选择阶段规避孔隙问题。

 

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