金屬3D打印技術(shù)可高效制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)同時(shí)節(jié)省材料，對(duì)于高溫合金而言很有吸引力，尤其是應(yīng)用于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(xué)會(huì)主席、英國伯明翰大學(xué)材料冶金系Roger C. Reed教授研究團(tuán)隊(duì)受邀在*期刊《Nature Communications》上發(fā)表評(píng)論文章，回顧高溫合金的歷史，討論3D打印對(duì)高溫合金的挑戰(zhàn)，并對(duì)該方向今后的發(fā)展進(jìn)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(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，又稱超級(jí)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*初是為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)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*終的部件。

01、3D打印或?qū)�徹底改變高溫合金加工過程

傳統(tǒng)上，制造是高溫合金應(yīng)用的“致命弱點(diǎn)”，如果不進(jìn)行冗長而昂貴的鑄件減材制造，就無法獲得結(jié)構(gòu)上的良好性能。當(dāng)今社會(huì)人們?nèi)匀辉谑褂每梢宰匪莸焦糯�的精密熔模鑄造工藝。精密鑄造涉及多種化學(xué)和工藝控制，在鑄造和隨后的零件機(jī)加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢料，以渦輪葉片為例，大約只有10％的高溫合金會(huì)變成*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打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(fā)生根本變化，不僅減少了制造步驟更能節(jié)省大量材料。在激光和計(jì)算機(jī)輔助制造條件下，材料能夠逐點(diǎn)逐層成型，從而賦予了工程人員更高的設(shè)計(jì)自由度，與減材制造相比，空心、點(diǎn)陣和泡沫結(jié)構(gòu)因此成為可能。

葉片的數(shù)控加工方法會(huì)造成大量材料浪費(fèi)

此外，3D打印在微米尺度和時(shí)間尺度上熔化和重熔金屬粉末，可產(chǎn)生極高的冷卻速度，這與傳統(tǒng)的冶金過程有很大不同，材料在凝固過程中就消除了傳統(tǒng)工藝中出現(xiàn)的枝晶偏析，同時(shí)抑制了γ'相沉淀。這為設(shè)計(jì)新的熱處理方案來優(yōu)化析出相，獲得與3D打印超級(jí)合金高強(qiáng)度相關(guān)的理想微結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。

02、高溫合金3D打印材料和制造設(shè)計(jì)

然而，3D打印在高溫合金復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)（如噴氣渦輪葉片）中的廣泛應(yīng)用仍不是一件簡單的事。為了成功利用高溫合金中3D打印技術(shù)，我們需要對(duì)工藝的科學(xué)性有更好的理解；然而目前該技術(shù)在許多方面仍然是模糊的，金屬3D打印技術(shù)的基本原理涉及跨越長度和時(shí)間尺度的多種物理和化學(xué)現(xiàn)象。例如，當(dāng)激光與金屬粉末接觸時(shí)，物質(zhì)的所有四種可能狀態(tài)——固、液、氣和等離子體發(fā)生相互作用，而且?guī)缀鯖]有任何物理模型可以展現(xiàn)這種復(fù)雜性。此外，快速和重復(fù)的熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的溫度梯度，從而導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的化學(xué)、結(jié)構(gòu)和機(jī)械狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)危及性能的冶金缺陷。

粉末床熔融技術(shù)多尺度、多物理現(xiàn)象示意圖

在增材制造過程中發(fā)生的不同物理效應(yīng)和相關(guān)物理過程包括：氣體膨脹引起的粉末顆粒動(dòng)力學(xué)、與激光相互作用時(shí)捕獲固-液-汽相轉(zhuǎn)變的熱流體動(dòng)力學(xué)、固相轉(zhuǎn)化以及開裂等損傷機(jī)理。

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�已針�?duì)特定的加工路線（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(dòng)的方式設(shè)計(jì)出針對(duì)3D打印工藝參數(shù)的新成分，從而針對(duì)高冷卻速率調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和性能。因此，針對(duì)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(hào)的超級(jí)合金，對(duì)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?cè)O(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(dòng)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(shí)監(jiān)控、鑒定標(biāo)準(zhǔn)的建立、高通量測(cè)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*好使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(shí)地設(shè)計(jì)成分和加工路線的名義來實(shí)現(xiàn)缺陷*小、浪費(fèi)*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(shí)尊重環(huán)境并促進(jìn)可持續(xù)性發(fā)展。