金屬3D打印技術可高效制造復雜結(jié)構(gòu)同時節(jié)省材料，對于高溫合金而言很有吸引力，尤其是應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、國際高溫合金學會主席、英國伯明翰大學材料冶金系Roger C. Reed教授研究團隊受邀在*期刊《Nature Communications》上發(fā)表評論文章，回顧高溫合金的歷史，討論3D打印對高溫合金的挑戰(zhàn)，并對該方向今后的發(fā)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(yōu)異的高溫強度，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)動機中的燃氣輪機組件開發(fā)，現(xiàn)在已廣泛用于航空航天和能源領域。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工序后，再通過機加工才能得到*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，制造是高溫合金應用的“致命弱點”，如果不進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。當今社會人們?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和工藝控制，在鑄造和隨后的零件機加工過程中會產(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。在激光和計算機輔助制造條件下，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，與減材制造相比，空心、點陣和泡沫結(jié)構(gòu)因此成為可能。

葉片的數(shù)控加工方法會造成大量材料浪費

此外，3D打印在微米尺度和時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，同時抑制了γ'相沉淀。這為設計新的熱處理方案來優(yōu)化析出相，獲得與3D打印超級合金高強度相關的理想微結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。

02、高溫合金3D打印材料和制造設計

然而，3D打印在高溫合金復雜空心結(jié)構(gòu)（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打印技術，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打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(xiàn)象。例如，當激光與金屬粉末接觸時，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)這種復雜性。此外，快速和重復的熱循環(huán)會導致強烈的溫度梯度，從而導致亞穩(wěn)態(tài)的化學、結(jié)構(gòu)和機械狀態(tài)，進而引發(fā)危及性能的冶金缺陷。

粉末床熔融技術多尺度、多物理現(xiàn)象示意圖

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

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(yōu)化。由于3D打印過程的快速重復熱循環(huán)，可以通過成分計算數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式設計出針對3D打印工藝參數(shù)的新成分，從而針對高冷卻速率調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和性能。因此，針對3D打印進行了優(yōu)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，對于成功實現(xiàn)商業(yè)化至關重要。

03、高溫合金3D打印面臨科學和技術挑戰(zhàn)

我們設想合金成分和制造模型都經(jīng)過了精心設計，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，但實際上仍面臨科學問題和技術問題的挑戰(zhàn)。

3D打印技術面臨的科學和技術挑戰(zhàn)

3D打印面臨的科學方面的挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)、減少缺陷和更好地量化冶金特征。技術方面的挑戰(zhàn)包括工藝參數(shù)優(yōu)化、實時監(jiān)控、鑒定標準的建立、高通量測試和放大組件的制造。3D打印用高溫合金的設計必須兼顧可制造性、力學一致性、穩(wěn)定性和成本。

這些問題*好使用數(shù)據(jù)驅(qū)動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雜工藝參數(shù)對制造過程的影響，這離不開數(shù)據(jù)科學、基于物理的建模、過程建模和人工智能的支持。3D打印的更多技術層面，如原材料和后處理過程對實現(xiàn)包括減少缺陷和保障質(zhì)量在內(nèi)的組件一致性至關重要。在商業(yè)過程中使用3D打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(xiàn)場監(jiān)控和后處理手段，并采用全面的工業(yè)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打印材料設計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)，這些都是以有意識地設計成分和加工路線的名義來實現(xiàn)缺陷*小、浪費*少以及理想的微觀結(jié)構(gòu)-性能關系。這種制造方法將為設計高性能結(jié)構(gòu)金屬部件提供更為周到和高效的方法，同時尊重環(huán)境并促進可持續(xù)性發(fā)展。

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