麻省理工使用3D打印技术来强化航空航天、能源生产应用中的关键材料

2023年5月22日，南极熊获悉，麻省理工学院（MIT）团队宣称开发出一种简单且廉价的方法来加强航空航天和能源生产领域中关键材料的性能。

△麻省理工学院利用3D打印技术为航空航天和新能源关键材料，开发出简单且经济实惠的强化方法

这些关键材料在航空航天和能源生产中扮演着重要角色，需要能够承受极端条件下的高温和拉伸应力而不发生失效。该研究团队提出了一种名为"Lattice Assembly"的新方法，通过使用3D打印技术构建复杂的多材料结构，以增强这些材料的性能。

巴特尔能源联盟核工程教授、麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）教授Ju Li表示：“我们始终迫切需要开发更适用于极端环境的材料。我们相信这种方法在未来对其他材料具有巨大的潜力。”

△马萨诸塞大学阿默斯特分校的Jian Liu，以及麻省理工学院的Emre Tekoğlu和Alexander O'Brien（从左到右）

增强这些关键材料的性能

为了实现可改善航空航天和能源生产领域使用的关键材料的性能，他们选择了一种被广泛使用的金属材料，即Inconel 718，这是一种耐高温和腐蚀的“超级合金”。

在研究中，团队使用了一种创新的方法，利用陶瓷纳米线对商用Inconel 718粉末进行处理。通过将少量的陶瓷纳米线与金属粉末混合，并进行研磨处理，纳米陶瓷得以均匀地分布在Inconel颗粒表面上。这种纳米陶瓷装饰提供了额外的强化效果，使材料能够更好地抵抗高温和拉伸应力的影响。

接下来，研究团队将经过处理的粉末用于激光粉末床融合3D打印技术来制造零件。这个过程涉及逐层打印薄薄的粉末层，并使用激光将每一层的粉末熔化成所需的形状。然后，另一层粉末被铺在上面，重复这个过程，激光移动以熔化新层并将其与下方的层粘合在一起。通过这种逐层堆积的方式，整个过程可以生产出复杂的3D零件。

这种激光粉末床融合技术具有高度灵活性，可以实现复杂几何形状和内部结构的打印。它为制造具有特定性能要求的零件提供了新的可能性。通过在Inconel 718粉末中引入陶瓷纳米线，研究团队能够进一步加强打印出的零件的性能和耐久性。

△该团队指出，这种原位沉淀形成的方法为增材制造中的高温材料，提供了简单而有效的强化方式，这些材料可应用于日益恶劣的能源和推进环境中

研究人员发现，相比于仅使用Inconel 718制造的零件，使用这种新粉末制造的零件具有更低的孔隙率和裂纹。这意味着使用新粉末制造的零件具有更高的强度，并且具备许多其他优势。例如，这些零件具有更好的延展性（或拉伸性），以及更强的抗辐射和高温载荷能力。

值得一提的是，这种新的制造过程本身并不昂贵，因为它可以适应现有的3D打印机。只需使用新的粉末材料，就能获得更好的性能。李教授指出，这使得采用这种新方法来强化材料变得更加经济实惠和可行。

来自香港中文大学的助理教授徐松对这项研究进行了评论。他指出，在这篇论文中，研究人员提出了一种新的方法，利用陶瓷纳米线增强因科镍合金718金属基复合材料的打印技术。通过激光熔化过程中陶瓷的原位溶解，增强了Inconel 718的耐热性和强度。此外，原位强化还能减小晶粒尺寸并消除缺陷。

△该论文已于4月5日在增材制造杂志上发表，题目为“通过原位形成纳米碳化物和硅化物强化增材制造的Inconel 718”

一个巨大的探索空间

李教授指出，这项工作为合金设计开辟了新的空间。由于超薄3D打印金属合金层的快速冷却速度，与传统的熔体凝固工艺制造的散装部件相比，许多适用于散装铸造的化学成分规则似乎不适用于3D打印。因此，在添加陶瓷的基本金属上，我们需要对成分进行更广泛的探索。

Emre Tekoğlu博士作为主要作者之一表示：“这些成果对于我们来说非常令人兴奋，因为这些成分是我们选择的第一批成分。我们还有广阔的探索空间，将继续研究新的Inconel复合材料配方，最终开发出能够承受更极端环境的材料。”

另一位主要作者Alexander O'Brien表示：“3D打印带来的精度和可扩展性为材料设计开辟了全新的可能性。我们的研究结果是一个令人兴奋的早期阶段，相信这一过程将对未来的核能、航空航天和能源生产等领域的设计产生重大影响。”

该团队表示，该方法还可以提高许多其它材料的性能。另外该项目得到了Eni SpA、国家科学基金会和ARPA-E的支持。