研究人员使用SLM技术3D打印单晶镍，未来将广泛用于金属合金

2022年6月14日，南极熊获悉，一组日本研究人员，正在研究使用选择性激光熔化(SLM)技术，使用纯镍基材料3D打印单晶结构。

多年来，对3D打印镍基高温合金（如因科镍合金）的需求不断增长。这些高温金属通常具有出色的机械性能、耐腐蚀性和抗蠕变性，通常在500°C以上的温度范围内工作。因此，它们是航空航天领域的首选材料，可广泛用于制造涡轮叶片等喷气发动机部件的材料。

单晶涡轮叶片，能够在比晶体涡轮叶片在高得多的温度下运行。但迄今为止，这种镍基单晶高温合金的3D打印技术还难以实现。虽然它们可以通过电子束熔化(EBM)进行加工，但使用 SLM等基于激光的技术，通常需要使用单晶种（构建板）。

△使用平顶激光轮廓来3D打印单晶镍，而不需要单晶构建板

控制晶粒形成的困难
使用SLM打印时，密切控制零件的晶界、应变抑制和纹理均匀性是一个棘手的过程。这可以归因于该技术固有的陡峭热梯度，即顶层被快速加热，下面的层更冷，并且两者之间的热导率有限。

重复的热循环导致高应变和位错密度，导致内部动态结晶和新晶粒的形成。对于更精确的微观结构控制，尤其是为了获得单晶，人们要么需要微调扫描策略，要么从一开始就使用单晶种。

据研究人员称，基于高斯的光束轮廓，通常用于控制SLM中的纹理和微结构，但目前还没有针对平顶光束轮廓的研究。

△该研究的更多细节可以在题为“通过平顶激光束选择性激光熔化制造纯镍单晶”的论文中找到。https://www.sciencedirect.com/sc ... S2772369022000408#!（点我传送门）

3D打印均质单晶镍
在本研究中，日本团队使用SLM Solutions SLM 280 HL打印机，在Ar环境中生产纯镍结构。首先，多晶镍板用于检查单个平顶激光轨迹的行为，这使团队能够估计后续熔池的形状。

测量熔池深度，并观察熔池几何形状，在多晶不锈钢304构建板上进行打印。由Ni制成的圆柱形试样，每个试样都经过研磨和抛光，并使用电子显微镜(SEM)成像和电子背散射衍射(EBSD)，进行微观结构研究。

通过优化平面熔池，该团队在不依赖单晶构建板的情况下，成功地实现了3D打印，由纯镍制成的均质单晶结构。

研究人员表示，这项工作为如何使用各种参数控制SLM工艺中的微观结构，及其相关特性提供了新的见解，特别是在确保单晶结构方面。在未来的研究中，这些发现将应用于更广泛的金属合金。

△平顶构建的(a-c) FT1、(d-f) FT2和(g-i)高斯构建的G1内核平均偏差图(KAM)

关于金属3D打印的研究
清华大学和新加坡国立大学的一个团队，最近研究了流体流动对金属3D打印零件机械性能的影响。虽然温度梯度和凝固速度等因素，已得到充分研究，但尚未研究该技术部件熔池中流体流动的影响。

在其他地方，一组国际研究人员，最近更深入地研究了金属3D打印背后的基础物理，所有这些都是为了更好地，了解打印部件中的缺陷。在零件性能至关重要的关键行业中，孔隙可能会限制可打印的零件类型。因此，需要人们不断在3D打印中，开发更好的预测缺陷和缓解技术。