美国橡树岭开发出航天级耐热钼合金3D打印粉体

近日，美国橡树岭国家实验室（ORNL）开发出一种被称为“Mighty Mo”（超强钼）的耐热钼合金配方，可配合电子束熔化（EBM）3D打印，这种合金能承受极端温度，甚至能够满足航空航天应用的苛刻要求。

据介绍，这种超强钼由钼和碳化钛（TiC）粉末混合组成，它克服了这类合金通常的脆性和易氧化性。经过（EMD）打印，该金属基复合材料就会产生致密，无裂纹的可承受极端温度的零件。ORNL的Mike Kirka说：“我们的结果表明，用机械合金化的金属基复合材料粉末制造是可行的。”“由熔融粉末形成的结构可以承受高温，这表明钼及其合金可以用于航空航天和能量转换应用。”

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℃，并且热膨胀系数，导热性和耐腐蚀性较低，但在某些温度下其韧性也很差。另外，钼对加工过程中的氮和氧污染极为敏感，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，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度如何对其SLM打印敏感性作出贡献，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ArcamS12 EBM3D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。该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辅助物料进料。

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）x13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，纯样品均未出现任何开裂，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。

来源：3D科学谷

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