媲美PBF合金强度，德国亚琛大学研究人员利用EHLA技术开发新合金

2022年2月9日，南极熊获悉，来自亚琛工业大学数字增材生产（DAP）学院的研究人员已经开始使用极端高速激光材料沉积（EHLA）3D打印技术来开发用于激光粉末床熔融（PBF）的新合金。

EHLA技术是FraunhoferILT于2017年针对大批量定向能量沉积（DED）的而开发的技术。这项增材制造技术主要作为一种金属零件的涂层和修复方法，并有可能取代目前的腐蚀和磨损保护方法，如硬铬电镀和热喷涂。

RWTH的调查涉及比较两种打印技术的工艺特点，在材料制造能力的可转移性方面产生了积极的效果。从本质上讲，DAP团队认为它可以将EHLA作为PBF3D打印的快速合金开发平台。

△EHLA三维打印工艺是由弗劳恩霍夫ILT在2017年开发的，用于金属涂层应用。照片来自亚琛工业大学。

EHLA作为PBF的合金开发平台

PBF是制造行业中使用较为广泛的增材制造技术之一，使用户能够3D打印具有优化几何形状的高强度金属零件。PBF的一个显著优势是它能够加工传统制造技术难以处理的合金，但DAP团队认为，由于合金开发过程的难度，这一潜力尚未得到利用。创建能够充分利用LBF工艺特性（如高冷却率）的合金既需要时间，也需要资源。

EHLA具有原位单粉末供应和类似PBF的冷却速率等工艺质量，具有正确的先决条件，使其成为PBF的一个重要的合金验证平台，所有这些都是在快速和资源效率的方式进行的。

△光镜下的EHLA与PBF熔池的显微照片。图片来自亚琛工业大学。

EHLA和PBF两种3D打印工艺的比较

首先，DAP的研究人员首先确定了影响冷却速度的相关EHLA和PBF工艺参数，这反过来又影响了打印部件的微观结构和机械性能。这些发现被用于3D打印由高锰钢（X30Mn22）制成的样品零件。最后，对PBF和EHLA产生的样品的微观结构特性进行了比较，以确认该团队关于EHLA适合于合金开发的假设。

由于激光能量源的强度对冷却率有重大影响，因此研究团队计算并比较了两种3D打印工艺的这一参数。结果发现，PBF的强度几乎是EHLA的14倍，但材料和激光束之间的相互作用期间大约是EHLA的10倍，因此这些影响被抵消，导致类似的能量输入。

此外，研究小组通过测量和比较两组打印样品的树枝状臂间距（DAS），确定了EHLA的工艺速度对冷却速率的影响。提高EHLA的工艺速度降低了DAS，表明工艺速度对冷却速度也有重大影响。

调查工艺可转移性的另一个指标是能量体积密度，这表明两种3D打印技术具有类似的热平衡。

总而言之，DAP的研究人员发现，两组打印样品的微观结构是相似的，可以通过调整工艺参数（如EHLA的工艺速度）来进一步均匀化。因此，他们得出的结论是，EHLA和PBF所产生的微观结构和机械性能是可比的，使前者成为后者的合适的合金筛选和开发工具。

就未来的工作而言，该团队的目标是比较打印样品集的化学成分，并检查其他工艺参数，如颗粒速度和粉末质量流。此外，由于技术之间能量输入的差异，各种合金的蒸发行为也将被研究和比较。

△3D打印样品中获得的树枝状结构的扫描电子显微镜（SEM）成像。图片来自亚琛工业大学。

合金开发是增材制造界正在积极研究的一个领域。就在最近，由香港城市大学领导的一个研究小组利用3D打印技术设计了一种新的钛基合金，它具有"超高强度、高延展性和超轻"的杰出性能。科学家们认为他们的工作可以为新的材料开发模式铺平道路，即利用3D打印技术来创造具有适合工业应用的结构和性能的合金。

澳大利亚的国家科学机构CSIRO也开发了一种新的工艺，将廉价的合金废料转化为用于3D打印的高价值钛丝。据报道，CSIRO团队是澳大利亚第一个以这种方式生产钛丝的团队，其产品可用于制造3D打印部件，如航空航天部件。