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金属3D打印镍单晶加速航空发动机发展

发布时间:2022-08-09 16:05:04 来源:爱游戏汇娱乐下载 作者:爱游戏娱乐 浏览: 6 次

  2022年7月27日,NIMS(国立材料科学研究所)和大阪大学工程研究生院,通过用大半径平顶激光束照射镍粉,使用选择性激光熔化 (SLM) ,成功制造出晶体缺陷很少的镍单晶体。

  △2017年西门子完成全球首个3D打印涡轮叶片试验,随着该技术的高速发展,航空迫切需求耐高温发动机部件解决方案

  根据之前的研究进展,人们可以使用电子束增材制造制造单晶。然而,该技术需要昂贵的设备,并且由于需要真空操作,这种工艺操作成本也很高,从而限制了其广泛使用。尽管可以使用更便宜的设备进行激光3D打印,但以前使用这种技术制造单晶,都已失败告终。

  当用激光束照射金属粉末原料时,它会熔化,形成固液界面。难以在界面附近沿相同方向生长晶粒,并防止由它们的凝固引起的应变诱导缺陷的形成。发现该问题归因于传统高斯激光束的强度分布(即,激光束在光束的横截面上具有钟形强度),这导致形成由取向较小的晶粒组成的多晶许多晶界。

  该研究团队使用SLM Solutions制造的商用SLM 280 3D打印机,成功地使用平顶激光束制造了单晶,在镍粉上形成了平坦的熔池表面。单个晶粒以相同的方向生长,具有较少的应变诱导缺陷。没有晶界的单晶容易开裂,并且在高温下非常坚固。

  △从左到右:激光束照射在粉末床上,产生的圆柱形单晶物体。(右)可以应用平顶激光束形成以相同取向排列的晶体,而应用传统的高斯激光束会导致晶粒取向较小

  这种新技术可以最大限度地减少,晶体在凝固过程中的应变产生和开裂。此外,该技术不需要使用晶种,从而简化了增材制造工艺。除了镍,这种激光增材制造技术,还可用于将其他金属和合金加工成单晶物体。

  随着对高温部件(如喷气发动机)使用的增加,对通过3D打印开发镍基高温合金部件的需求也在增加。由于单晶在高温下比多晶更坚固,因此它们作为耐热材料的实际应用很有发展前景。最后,使用更便宜和可以广泛使用的3D打印技术,与其他金属和合金一起使用,加速耐热喷气发动机部件的开发,以创建一系列非常适合航空航天和发电应用的单晶体。

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