2023年6月4日，南极熊获悉，来自麻省理工学院的工程师团队报告了一种简单、廉价的方法来制备陶瓷纳米纤维强化 Inconel 718材料，以用于金属 PBF 增材制造工艺。研究团队认为，他们的这种采用陶瓷纳米线强化3D打印金属粉末的方法同样可用于改进许多其他材料。航空航天和能源生产领域许多重要应用的关键材料必须能够承受高温和拉伸应力等极端条件而不会失效，所以，MIT开发的这种新型强化高温合金在航空航天等高要求领域有着广阔的应用前景。
Battelle 能源联盟核工程教授、麻省理工学院材料科学与工程系 (DMSE) 教授 Ju Li 说：“开发更适合极端环境的材料始终是我们的迫切需要，我们相信这种方法在未来对其他材料具有巨大的潜力。”
这项研究在以题为“Strengthening additivelymanufactured Inconel 718 through in-situ formation of nanocarbides andsilicides”的论文被发表在4 月 5 日的《Additive Manufacturing》期刊上，同样隶属于材料研究实验室(MRL) 的Li是该篇论文的三位通讯作者之一，另外两位通讯作者是马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的陈文教授和麻省理工学院机械工程系的A. John Hart教授。
△论文图片概摘要
该篇论文的共同第一作者是麻省理工学院核科学与工程系 (NSE) 的博士后 Emre Tekoğlu 和 Alexander O'Brien；NSE 研究生 AlexanderD. O'Brien；和麻省大学阿默斯特分校的刘健。其他作者是 Baoming Wang，麻省理工学院 DMSE 博士后；伊斯坦布尔技术大学的 Sina Kavak；MRL研究专家张勇；DMSE 研究生So Yeon Kim；NSE研究生王诗彤；和伊斯坦布尔技术大学的 Duygu Agaogullari。这项研究得到了 Eni SpA 通过麻省理工学院能源计划、国家科学基金会和 ARPA-E 的支持。
△研究论文的共同第一作者是（从左到右）：马萨诸塞大学阿默斯特分校的 Jian Liu，以及麻省理工学院的 Emre Tekoğlu 和 Alexander O'Brien。
更好的性能
研究团队的方法以 Inconel 718材料为基础，这是一种流行的“高温合金”，用于增材制造中需要承受极端条件（例如 700 摄氏度，约 1,300 华氏度））等极端条件的应用。该团队写道，他们用少量陶瓷纳米纤维研磨商用 Inconel 718 粉末，导致纳米陶瓷在 Inconel 颗粒表面均匀包覆。
然后将所得粉末用于通过激光粉末床熔合制造零件。研究人员发现，与仅使用 Inconel718 制成的零件相比，使用这种新粉末制成的零件的孔隙率和裂纹明显减少。而这反过来又会导致零件的强度大大提高，这些零件还具有许多其他优势。例如，它们更具延展性，或可拉伸性，并且具有更好的抗辐射和高温载荷能力。
Li说：“此外，这一强化过程本身的成本并不高，并且适用于现有的 3D 打印机。只需使用我们的粉末，您就会获得更好的性能。”
未参与这项工作的香港中文大学助理教授徐松评论道：“在这篇论文中，作者提出了一种打印由陶瓷纳米纤维增强的镍基合金 718 金属基复合材料的新方法。激光熔化过程引起的陶瓷原位溶解增强了 Inconel718 的耐热性和强度。此外，原位强化减小了晶粒尺寸并消除了缺陷。未来金属合金的 3D 打印，包括高反射率铜的改性和高温合金的断裂抑制，都可以从这项技术中明显受益。”
△麻省理工学院的研究团队报告了一种简单、廉价的方法来制备航空航天和核能发电应用的关键强化材料。这张照片中打印基板上的“海狸“造型和其他形状是使用新技术创建的。照片来源：亚历山大·奥布莱恩
巨大的新空间
Li教授说：“这项工作可以为合金设计开辟一个巨大的新空间，因为超薄 3D 打印金属合金层的冷却速度比使用传统熔体凝固工艺制造的散装部件的冷却速度快得多。因此，许多适用于铸造的化学成分规则似乎不适用于这种 3D 打印。因此，我们有更大的成分空间来探索添加陶瓷的基本金属。”
研究论文的主要作者之一 Emre Tekoğlu 补充说：“这种成分是我们设计的首批成分之一，因此在现实生活中获得这些结果非常令人兴奋。还有广阔的探索空间。我们将继续探索新的 Inconel 复合材料配方，最终开发出能够承受更极端环境的材料。”
另一位主要作者 Alexander O'Brien 总结道：“3D 打印带来的精度和可扩展性为材料设计开辟了新的可能性世界。我们在这里的结果是一个令人兴奋的早期步骤，这个过程肯定会对未来的核能、航空航天和所有能源生产的设计产生重大影响。”
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