美國橡樹嶺開發出航天級耐熱鉬合金3D打印粉體
近日，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）開發出一種被稱為“Mighty Mo”（超強鉬）的耐熱鉬合金配方，可配合電子束熔化（EBM）3D打印，這種合金能承受極端溫度，甚至能夠滿足航空航天應用的苛刻要求。
ORNL小組3D打印的“Mighty Mo”材料的SEM圖片
據介紹，這種超強鉬由鉬和碳化鈦（TiC）粉末混合組成，它克服了這類合金通常的脆性和易氧化性。經過（EMD）打印，該金屬基復合材料就會產生致密，無裂紋的可承受極端溫度的零件。ORNL的Mike Kirka說：“我們的結果表明，用機械合金化的金屬基復合材料粉末制造是可行的。”“由熔融粉末形成的結構可以承受高溫，這表明鉬及其合金可以用于航空航天和能量轉換應用。”
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域內部署的極具吸引力的選擇。該合金的特點是熔點升高至2622℃，并且熱膨脹系數，導熱性和耐腐蝕性較低，但在某些溫度下其韌性也很差。另外，鉬對加工過程中的氮和氧污染極為敏感，這會導致其晶界偏析，導致零件開裂。在該領域已經進行的有限研究中，科學家將金屬與其他材料混合，試圖更好地控制其重結晶和晶粒尺寸，但收效甚微。
早在2017年，奧地利粉末生產商Plansee Group的研究人員就設法使用模擬數據來量化鉬的粒度如何對其SLM打印敏感性作出貢獻，但并未徹底解決該問題。相比之下，ORNL團隊現在發現，通過向合金中添加TiC顆粒并轉換為EBM，可以制造出具有更高水平的堅固性和剛性的微結構。
ORNL團隊使用定制的Arcam3D打印機（如圖）進行研究
為了配制材料，科學家將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復合材料機械合金化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團隊開發了定制的ArcamS12 EBM3D打印機，其特征是改進的構建腔，該構建腔由活塞，進料器，耙子和工作臺粉末床輸送系統組成。該機器的升級有效地優化了其小批量生產，同時實現了高級過程監控和輔助物料進料。
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）x13毫米（H）的零件，它們具有類似三明治的結構，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，純樣品均未出現任何開裂，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。結果，ORNL的科學家推測，嚴格管理工藝輸入將是使用鉬制造未來微結構的關鍵，而不會導致加工過程中零件層的一致性或溫度梯度發生變化。
最終，研究人員還得出結論，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設置，該合金可以在航空航天或能量轉換領域，例如傳熱組件等領域找到新的應用。
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