NIMS和大阪大学金属3D打印镍单晶，加速航空发动机发展

2022年7月27日，南极熊获悉，NIMS（国立材料科学研究所）和大阪大学工程研究生院，通过用大半径平顶激光束照射镍粉，使用选择性激光熔化 (SLM) ，成功制造出晶体缺陷很少的镍单晶体。

△2017年西门子完成全球首个3D打印涡轮叶片试验，随着该技术的高速发展，航空迫切需求耐高温发动机部件解决方案

该技术可用于制造多种单晶材料，包括用于喷气发动机和燃气轮机的耐热材料。
技术难题
根据之前的研究进展，人们可以使用电子束增材制造制造单晶。然而，该技术需要昂贵的设备，并且由于需要真空操作，这种工艺操作成本也很高，从而限制了其广泛使用。尽管可以使用更便宜的设备进行激光3D打印，但以前使用这种技术制造单晶，都已失败告终。

△(a), (e), (i)显示了垂直于BD的截面上的IPF图，相应的纹理分别显示在(c), (g), (k)。(b), (f), (i)显示了横跨BD的截面上的IPF图，相应的纹理分别显示在(d, h, l)。所有的IPF都是沿BD轴设置的

新的技术
当用激光束照射金属粉末原料时，它会熔化，形成固液界面。难以在界面附近沿相同方向生长晶粒，并防止由它们的凝固引起的应变诱导缺陷的形成。发现该问题归因于传统高斯激光束的强度分布（即，激光束在光束的横截面上具有钟形强度），这导致形成由取向较小的晶粒组成的多晶许多晶界。

该研究团队使用SLM Solutions制造的商用SLM 280 3D打印机，成功地使用平顶激光束制造了单晶，在镍粉上形成了平坦的熔池表面。单个晶粒以相同的方向生长，具有较少的应变诱导缺陷。没有晶界的单晶容易开裂，并且在高温下非常坚固。

△从左到右：激光束照射在粉末床上，产生的圆柱形单晶物体。（右）可以应用平顶激光束形成以相同取向排列的晶体，而应用传统的高斯激光束会导致晶粒取向较小

未来发展
这种新技术可以最大限度地减少，晶体在凝固过程中的应变产生和开裂。此外，该技术不需要使用晶种，从而简化了增材制造工艺。除了镍，这种激光增材制造技术，还可用于将其他金属和合金加工成单晶物体。

△该团队的研究结果已发表在Additive Manufacturing Letters，题目为《通过平顶激光束选择性激光熔化制造纯镍单晶体》（点我传送门）

随着对高温部件（如喷气发动机）使用的增加，对通过3D打印开发镍基高温合金部件的需求也在增加。由于单晶在高温下比多晶更坚固，因此它们作为耐热材料的实际应用很有发展前景。最后，使用更便宜和可以广泛使用的3D打印技术，与其他金属和合金一起使用，加速耐热喷气发动机部件的开发，以创建一系列非常适合航空航天和发电应用的单晶体。