科学家研发新3D打印材料 可承受极端温度

在金属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。

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。

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。(作者：李炎)

来源：中关村