金屬3D列印技術可高效製造複雜結構同時節省材料，對於高溫合金而言很有吸引力，尤其是應用於多孔或中空的航空航天部件。5月11日，國際著名高溫合金專家、國際高溫合金學會主席、英國伯明罕大學材料冶金系Roger C. Reed教授研究團隊受邀在頂級期刊《Nature Communications》上發表評論文章，回顧高溫合金的歷史，討論3D列印對高溫合金的挑戰，並對該方向今後的發展進行展望。
高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料，又稱超級合金。其具有優異的高溫強度，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動機中的燃氣輪機組件開發，現在已廣泛用於航空航天和能源領域。不過，高溫合金的製造工藝窗口很窄，通常在冗長且高昂的繁複工序後，再通過機加工才能得到最終的部件。
01
3D列印或將徹底改變高溫合金加工過程
傳統上，製造是高溫合金應用的「致命弱點」，如果不進行冗長而昂貴的鑄件減材製造，就無法獲得結構上的良好性能。當今社會人們仍然在使用可以追溯到古代的精密熔模鑄造工藝。精密鑄造涉及多種化學和工藝控制，在鑄造和隨後的零件機加工過程中會產生大量的廢料，以渦輪葉片為例，大約只有10％的高溫合金會變成最終成品。
葉片的鑄造工藝步驟非常繁瑣（圖為陶瓷芯的蜂蠟葉片）
3D列印作為一種新的材料成型方式，可使高溫合金的加工過程發生根本變化，不僅減少了製造步驟更能節省大量材料。在雷射和計算機輔助製造條件下，材料能夠逐點逐層成型，從而賦予了工程人員更高的設計自由度，與減材製造相比，空心、點陣和泡沫結構因此成為可能。
葉片的數控加工方法會造成大量材料浪費
此外，3D列印在微米尺度和時間尺度上熔化和重熔金屬粉末，可產生極高的冷卻速度，這與傳統的冶金過程有很大不同，材料在凝固過程中就消除了傳統工藝中出現的枝晶偏析，同時抑制了γ'相沉澱。這為設計新的熱處理方案來優化析出相，獲得與3D列印超級合金高強度相關的理想微結構創造了條件。
02
高溫合金3D列印材料和製造設計
然而，3D列印在高溫合金複雜空心結構（如噴氣渦輪葉片）中的廣泛應用仍不是一件簡單的事。為了成功利用高溫合金中3D列印技術，我們需要對工藝的科學性有更好的理解；然而目前該技術在許多方面仍然是模糊的，金屬3D列印技術的基本原理涉及跨越長度和時間尺度的多種物理和化學現象。例如，當雷射與金屬粉末接觸時，物質的所有四種可能狀態——固、液、氣和等離子體發生相互作用，而且幾乎沒有任何物理模型可以展現這種複雜性。此外，快速和重複的熱循環會導致強烈的溫度梯度，從而導致亞穩態的化學、結構和機械狀態，進而引發危及性能的冶金缺陷。
粉末床熔融技術多尺度、多物理現象示意圖
在增材製造過程中發生的不同物理效應和相關物理過程包括：氣體膨脹引起的粉末顆粒動力學、與雷射相互作用時捕獲固-液-汽相轉變的熱流體動力學、固相轉化以及開裂等損傷機理。
此外，大多數常規高溫合金無法輕鬆地從熔模鑄造過渡到3D列印製造，因為它們均已針對特定的加工路線（如鍛造、焊接和鑄造）進行了優化。由於3D列印過程的快速重複熱循環，可以通過成分計算數據驅動的方式設計出針對3D列印工藝參數的新成分，從而針對高冷卻速率調整微觀結構和性能。因此，針對3D列印進行了優化且旨在減輕冶金缺陷（如關鍵高溫部件中的氣孔和裂紋）的新型牌號的超級合金，對於成功實現商業化至關重要。
03
高溫合金3D列印面臨科學和技術挑戰
我們設想合金成分和製造模型都經過了精心設計，列印策略也經過了優化，那麼便有可能製造出高質量的零件，但實際上仍面臨科學問題和技術問題的挑戰。
3D列印技術面臨的科學和技術挑戰
3D列印面臨的科學方面的挑戰包括粉末流動性和粉末粒度分布、與熱源的相互作用、形成的分層微觀結構、減少缺陷和更好地量化冶金特徵。技術方面的挑戰包括工藝參數優化、實時監控、鑑定標準的建立、高通量測試和放大組件的製造。3D列印用高溫合金的設計必須兼顧可製造性、力學一致性、穩定性和成本。
這些問題最好使用數據驅動的方法來解釋從金屬粉末特性到大自由度的列印策略等複雜工藝參數對製造過程的影響，這離不開數據科學、基於物理的建模、過程建模和人工智慧的支持。3D列印的更多技術層面，如原材料和後處理過程對實現包括減少缺陷和保障質量在內的組件一致性至關重要。在商業過程中使用3D列印工藝雖然不需要太基礎的研究，但仍需要多尺度過程建模、改進現場監控和後處理手段，並採用全面的工業標準，特別是因為這些合金是專為航空航天領域的關鍵任務而設計的。
高溫合金3D列印材料設計方法要求使用從粉末加工到熔化，以及從列印策略到熱處理的所有數據，這些都是以有意識地設計成分和加工路線的名義來實現缺陷最小、浪費最少以及理想的微觀結構-性能關係。這種製造方法將為設計高性能結構金屬部件提供更為周到和高效的方法，同時尊重環境並促進可持續性發展。
註：本文內容來自3D列印技術參考，原文已上傳QQ群。