3D打印镍基单晶高温合金

作者： 徐文梁、鲁中良

镍基单晶高温合金是航空航天等领域的关键材料，用于高温零部件的制造。目前，这些零部件的制备工艺主要以定向凝固精密铸造为主。对金属3D打印技术而言，能否实现单晶组织的连续生长是一个巨大挑战。以往的研究主要集中在利用3D打印技术分层叠加原理，对单晶基体（如燃气轮机的涡轮叶片）进行修复，目前可以实现成形若干层单晶组织。近期，法国格勒诺布尔大学的研究者采用电子束选区熔化技术，通过对工艺条件的严格控制，成功制备出较大体积单晶组织的镍基高温合金。

图1 制备的试样: （a）试样宏观形貌（尺寸为23×23×30 mm）;（b）试样顶层截面形貌；（c）枝晶形貌

据研究人员报到，该研究成功的秘诀是采用了精确的工艺参数控制合金的熔化及凝固过程。研究者认为，所采用的工艺为何能够制备出单晶仍需要深入分析，初步认为是所采用的扫描策略对晶粒的生长具有选择效果，因而能够实现单晶的制备。由图1可以看出，制备的块状试样上部纵截面上，枝晶细密且连续生长，没有明显的裂纹等缺陷。图2展示了试样纵截面的晶粒取向分析结果，从中可以看出，试样的底部有柱状晶定向生长，外表面亦由于工艺条件没有形成单晶，而在上半部分的中间部位则为单晶组织。

图2 试样的纵截面晶粒取向分析

该研究突破了较大体积镍基高温合金单晶组织的3D打印，使3D打印技术用于单晶高温合金零部件的制造成为可能，对于3D打印技术进一步应用于航空航天等领域热端零部件的制造具有重要意义。但是，以目前公开报到的实验结果来看，采用3D打印成形高性能复杂结构单晶高温合金零件还需深入研究。

参考文献
K.Gnanasekaran, T. Heijmans, S. van Bennekom, H. Woldhuis, S. Wijnia, G. de With, H. Friedrich. 3D printing of CNT- and graphene-based conductive polymer nanocomposites by fused deposition modeling. Applied Materials Today 9 (2017) 21–28.
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2352940717300586

原创： 徐文梁、鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室