頂刊評述：金屬3D列印或成高溫合金的顛覆性技術！

金屬3D列印技術（又稱增材製造）可高效製造複雜的幾何結構且減少損耗，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，Roger Reed院士團隊受邀在頂級期刊《Nature Communications》上以題為「Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys」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。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16188-7

高溫合金，又稱為超合金，廣泛應用於航天航空和能源領域的核心部件中。其設計通常由鎳/鈷/鐵為基體，添加多種元素進行強化，使其具有優異的高溫性能，以及組織穩定性，可以在極端工作條件下長時間服役。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。

金屬3D列印技術則可以減少耗材，並且省去大量模具，通過數位化設計實現（近）淨成形部件。然而，此間挑戰重重。一般的金屬材料採用3D列印技術後，例如雷射選區熔化（SLM），其機械性能會出現不同程度的損失，這主要源於各類缺陷的形成，例如微裂紋，氣泡等。這對高溫合金而言極為重要，因為服役部件的失效方式通常為蠕變或疲勞斷裂，而這些性能又對缺陷十分敏感，所以有必要從根本上抑制這些缺陷的產生。

圖一：粉床熔融增材製造的多尺度多物理示意圖

主要的挑戰可分為科學問題和技術問題兩方面。由於3D列印本身是多物理問題，且跨越不同時間與空間尺度。例如，熱源在粉床的移動過程中，固、液、氣、等離子體四種物質形態可同時相互作用。目前極少有物理模型涵蓋此等複雜性。與此同時，工藝上也有諸多挑戰仍待解決，下圖總結了主要的幾點，例如高效的動態實時監測，無損檢測，高通量測試等。

圖二：金屬增材製造中主要的科學問題與技術問題

面對增材製造中極高速率的熱循環與重熔，現有的高溫合金很難適應，這畢竟與傳統合金的設計理念截然不同。因此，想要有效利用金屬3D列印技術的便利，設計新型的可適用於增材製造的合金成分是不可或缺的。同時，數據驅動的方法有望在物理、工藝模擬等方面提供更好的解決方案。全面的工業標準的制定與實施也可以為行業注入動力。

感謝本文作者Chinnapat Panwisawas, Yuanbo T. Tang, Roger C.Reed對本文的大力支持。