科學(xué)家研發(fā)新材料 更耐熱更好用，可與電子束熔化（EBM）3D打印機配合使用

來源：中關(guān)村在線

據(jù)了解，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科學(xué)家開發(fā)了一種新的鉬（Mo）配方，該配方經(jīng)過專門優(yōu)化，可與電子束熔化（EBM）3D打印機配合使用。結(jié)果表明，這種新的材料可以承受極端溫度，成為航空航天應(yīng)用的理想之選。

△ORNL團隊3D打印的“ Mighty Mo”材料的SEM圖像

作為一種難熔金屬，鉬具有多種特性，使其成為在超溫度敏感區(qū)域內(nèi)部署的極具吸引力的選擇。該合金的特點是熔點升高至2622 o C，并且熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)熱性和耐腐蝕性均較低，但在某些溫度下其韌性也很差。

另外，鉬在加工過程中對氮和氧污染非常敏感，這會導(dǎo)致其晶界偏析，導(dǎo)致零件開裂。在該領(lǐng)域已經(jīng)進行的有限研究中，科學(xué)家將金屬與其他材料混合，試圖更好地控制其重結(jié)晶和晶粒尺寸，但收效甚微。

早在2017年，來自奧地利粉末生產(chǎn)商Plansee Group的研究人員就設(shè)法使用模擬數(shù)據(jù)來量化鉬的粒徑如何對其SLM打印敏感性做出貢獻(xiàn)，但并未徹底解決該問題。相比之下，ORNL團隊現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，通過向合金中添加TiC顆粒并轉(zhuǎn)換為EBM，可以制造出具有更高水平的堅固性和剛性的微結(jié)構(gòu)。

△ORNL團隊使用定制的Arcam 3D打印機進行研究

為了配制材料，科學(xué)家將Mo和TiC粉末以60:40的比例混合在一個刻度量筒中，該量筒充滿了氬氣以防止氧化。然后，使用行星式球磨機將所得的金屬基質(zhì)復(fù)合材料機械合金化8小時，直到可以進行3D打印為止。

為了處理他們的新粉末，ORNL團隊開發(fā)了定制的Arcam S12 EBM 3D打印機，其特征是改進的構(gòu)建腔，該構(gòu)建腔由活塞，進料器，耙子和工作臺粉末床輸送系統(tǒng)組成。機器的升級有效地優(yōu)化了其小批量生產(chǎn)，同時實現(xiàn)了高級過程監(jiān)控和二次進料。

利用他們的機器，研究人員選擇了3D打印六塊尺寸為12毫米（D）x 13毫米（H）的零件，它們具有類似三明治的結(jié)構(gòu)，其中包含一層包裹在兩層純鉬之間的強鉬。有趣的是，SEM成像顯示，純樣品均未發(fā)生任何開裂，但由于粉末散布，它們的確存在一些表面不一致性。

后來，研究小組進行了熱力學(xué)建模，這也表明該過程對成分和溫度的變化仍然極為敏感。結(jié)果，ORNL的科學(xué)家推測，嚴(yán)格管理工藝輸入將是使用鉬制造未來微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，而不會導(dǎo)致加工過程中零件層的一致性或溫度梯度發(fā)生變化。

最終，研究人員還得出結(jié)論，他們證明了3D打印純無裂紋鉬的可行性，并且通過完善的參數(shù)設(shè)置，該合金可以在航空航天或能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，例如傳熱組件等領(lǐng)域找到新的應(yīng)用。