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美國(guó)橡樹(shù)嶺開(kāi)發(fā)出航天級(jí)耐熱鉬合金3D打印粉體

時(shí)間:2021-04-24 22:02 來(lái)源:3D科學(xué)谷 作者:中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀:

       近日,美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)開(kāi)發(fā)出一種被稱為“Mighty Mo”(超強(qiáng)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(yīng)用的苛刻要求。

ORNL小組3D打印的“Mighty Mo”材料的SEM圖片

據(jù)介紹,這種超強(qiáng)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(jīng)過(guò)(EMD)打印,該金屬基復(fù)合材料就會(huì)產(chǎn)生致密,無(wú)裂紋的可承受極端溫度的零件。ORNL的Mike Kirka說(shuō):“我們的結(jié)果表明,用機(jī)械合金化的金屬基復(fù)合材料粉末制造是可行的。”“由熔融粉末形成的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換應(yīng)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(qū)域內(nèi)部署的極具吸引力的選擇。該合金的特點(diǎn)是熔點(diǎn)升高至2622℃,并且熱膨脹系數(shù),導(dǎo)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(duì)加工過(guò)程中的氮和氧污染極為敏感,這會(huì)導(dǎo)致其晶界偏析,導(dǎo)致零件開(kāi)裂。在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行的有限研究中,科學(xué)家將金屬與其他材料混合,試圖更好地控制其重結(jié)晶和晶粒尺寸,但收效甚微。

早在2017年,奧地利粉末生產(chǎn)商Plansee Group的研究人員就設(shè)法使用模擬數(shù)據(jù)來(lái)量化鉬的粒度如何對(duì)其SLM打印敏感性作出貢獻(xiàn),但并未徹底解決該問(wèn)題。相比之下,ORNL團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在發(fā)現(xiàn),通過(guò)向合金中添加TiC顆粒并轉(zhuǎn)換為EBM,可以制造出具有更高水平的堅(jiān)固性和剛性的微結(jié)構(gòu)。

ORNL_SEM_PrinterORNL團(tuán)隊(duì)使用定制的Arcam3D打印機(jī)(如圖)進(jìn)行研究

為了配制材料,科學(xué)家將Mo和TiC粉末以60:40的比例混合在一個(gè)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(jī)將所得的金屬基質(zhì)復(fù)合材料機(jī)械合金化8小時(shí),直到可以進(jìn)行3D打印為止。為了處理他們的新粉末,ORNL團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了定制的ArcamS12 EBM3D打印機(jī),其特征是改進(jìn)的構(gòu)建腔,該構(gòu)建腔由活塞,進(jìn)料器,耙子和工作臺(tái)粉末床輸送系統(tǒng)組成。該機(jī)器的升級(jí)有效地優(yōu)化了其小批量生產(chǎn),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高級(jí)過(guò)程監(jiān)控和輔助物料進(jìn)料。

利用他們的機(jī)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(jié)構(gòu),其中包含一層包裹在兩層純鉬之間的強(qiáng)鉬。有趣的是,SEM成像顯示,純樣品均未出現(xiàn)任何開(kāi)裂,但由于粉末散布,它們的確存在一些表面不一致性。后來(lái),研究小組進(jìn)行了熱力學(xué)建模,這也表明該過(guò)程對(duì)成分和溫度的變化仍然極為敏感。結(jié)果,ORNL的科學(xué)家推測(cè),嚴(yán)格管理工藝輸入將是使用鉬制造未來(lái)微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,而不會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中零件層的一致性或溫度梯度發(fā)生變化。

最終,研究人員還得出結(jié)論,他們證明了3D打印純無(wú)裂紋鉬的可行性,并且通過(guò)完善的參數(shù)設(shè)置,該合金可以在航空航天或能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,例如傳熱組件等領(lǐng)域找到新的應(yīng)用。

(責(zé)任編輯:admin)

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