科学家研发新3D打印材料 更耐热更好用

国际金属加工网 2021年04月20日

金属3D打印领域,由于各种稀有金属的熔点不同,许多材料商在设法将更多的金属进行混合,以生产出可加工应用的材料产品。近期美国橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家开发了一种新的钼(Mo)配方,该配方经过专门优化,可与电子束熔化(EBM)3D打印机配合使用。结果表明,这种新的材料可以承受极端温度,成为航空航天应用的理想之选。

科学家研发新3D打印材料 更耐热更好用

ORNL团队3D打印的“ Mighty Mo”材料的SEM图像

作为一种难熔金属,钼具有多种特性,使其成为在超温度敏感区域内部署的极具吸引力的选择。该合金的特点是熔点升高至2622 o C,并且热膨胀系数,导热性和耐腐蚀性均较低,但在某些温度下其韧性也很差。

另外,钼在加工过程中对氮和氧污染非常敏感,这会导致其晶界偏析,导致零件开裂。在该领域已经进行的有限研究中,科学家将金属与其他材料混合,试图更好地控制其重结晶和晶粒尺寸,但收效甚微。

早在2017年,来自奥地利粉末生产商Plansee Group的研究人员就设法使用模拟数据来量化钼的粒径如何对其SLM打印敏感性做出贡献,但并未彻底解决该问题。相比之下,ORNL团队现在发现,通过向合金中添加TiC颗粒并转换为EBM,可以制造出具有更高水平的坚固性和刚性的微结构。

科学家研发新3D打印材料 更耐热更好用

ORNL团队使用定制的Arcam 3D打印机进行研究

为了配制材料,科学家将Mo和TiC粉末以60:40的比例混合在一个刻度量筒中,该量筒充满了氩气以防止氧化。然后,使用行星式球磨机将所得的金属基质复合材料机械合金化8小时,直到可以进行3D打印为止。

为了处理他们的新粉末,ORNL团队开发了定制的Arcam S12 EBM 3D打印机,其特征是改进的构建腔,该构建腔由活塞,进料器,耙子和工作台粉末床输送系统组成。机器的升级有效地优化了其小批量生产,同时实现了高级过程监控和二次进料。

利用他们的机器,研究人员选择了3D打印六块尺寸为12毫米(D)x 13毫米(H)的零件,它们具有类似三明治的结构,其中包含一层包裹在两层纯钼之间的强钼。有趣的是,SEM成像显示,纯样品均未发生任何开裂,但由于粉末散布,它们的确存在一些表面不一致性。

后来,研究小组进行了热力学建模,这也表明该过程对成分和温度的变化仍然极为敏感。结果,ORNL的科学家推测,严格管理工艺输入将是使用钼制造未来微结构的关键,而不会导致加工过程中零件层的一致性或温度梯度发生变化。

最终,研究人员还得出结论,他们证明了3D打印纯无裂纹钼的可行性,并且通过完善的参数设置,该合金可以在航空航天或能量转换领域,例如传热组件等领域找到新的应用。


(中关村在线)

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