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3D新聞

科學(xué)家研發(fā)新3D打印材料 可承受極端溫度

星之球科技 來(lái)源:中關(guān)村在線(xiàn)2021-04-20 我要評(píng)論(0 )   

在金屬3D打印領(lǐng)域,由于各種稀有金屬的熔點(diǎn)不同,許多材料商在設(shè)法將更多的金屬進(jìn)行混合,以生產(chǎn)出可加工應(yīng)用的材料產(chǎn)品。近期美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)...

在金屬3D打印領(lǐng)域,由于各種稀有金屬的熔點(diǎn)不同,許多材料商在設(shè)法將更多的金屬進(jìn)行混合,以生產(chǎn)出可加工應(yīng)用的材料產(chǎn)品。近期美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種新的鉬(Mo)配方,該配方經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化,可與電子束熔化(EBM)3D打印機(jī)配合使用。結(jié)果表明,這種新的材料可以承受極端溫度,成為航空航天應(yīng)用的理想之選。


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 o C,并且熱膨脹系數(shù),導(dǎo)熱性和耐腐蝕性均較低,但在某些溫度下其韌性也很差。


另外,鉬在加工過(guò)程中對(duì)氮和氧污染非常敏感,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,來(lái)自?shī)W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)量化鉬的粒徑如何對(duì)其SLM打印敏感性做出貢獻(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)。


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(mǎn)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Arcam S12 EBM 3D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。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)控和二次進(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)x 13毫米(H)的零件,它們具有類(lèi)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,純樣品均未發(fā)生任何開(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。


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