近日，美國(guó)橡樹(shù)(shù)嶺國(guó)家實(shí)(shí)驗(yàn)室（ORNL）開(kāi)(kāi)發(fā)(fā)出一種被稱(chēng)(chēng)為“Mighty Mo”（超強(qiáng)鉬）的耐熱鉬合金配方，可配合電子束熔化（EBM）3D打印，這種合金能承受極端溫度，甚至能夠滿(mǎn)足航空航天應(yīng)用的苛刻要求。

ORNL小組3D打印的“Mighty Mo”材料的SEM圖片

據(jù)介紹，這種超強(qiáng)鉬由鉬和碳化鈦（TiC）粉末混合組成，它克服了這類(lèi)(lèi)合金通常的脆性和易氧化性。經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)（EMD）打印，該金屬基復(fù)合材料就會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生致密，無(wú)(wú)裂紋的可承受極端溫度的零件。ORNL的Mike Kirka說(shuō)(shuō)：“我們的結(jié)果表明，用機(jī)械合金化的金屬基復(fù)合材料粉末制造是可行的?！薄壩扇廴詵勰┬緯傻慕Y(jié)構(gòu)可以承受高溫，這表明鉬及其合金可以用于航空航天和能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用?！?/span>

作為一種難熔金屬，鉬具有多種特性，使其成為在超溫度敏感區(qū)域內(nèi)部署的極具吸引力的選擇。該合金的特點(diǎn)(diǎn)是熔點(diǎn)(diǎn)升高至2622℃，并且熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)熱性和耐腐蝕性較低，但在某些溫度下其韌性也很差。另外，鉬對(duì)加工過(guò)(guò)程中的氮和氧污染極為敏感，這會(huì )(huì)導(dǎo)致其晶界偏析，導(dǎo)致零件開(kāi)(kāi)裂。在該領(lǐng)(lǐng)域已經(jīng)(jīng)進(jìn)(jìn)行的有限研究中，科學(xué)(xué)家將金屬與其他材料混合，試圖更好地控制其重結(jié)晶和晶粒尺寸，但收效甚微。

早在2017年，奧地利粉末生產(chǎn)(chǎn)商Plansee Group的研究人員就設(shè)法使用模擬數(shù)據(jù)來(lái)(lái)量化鉬的粒度如何對(duì)其SLM打印敏感性作出貢獻(xiàn)，但并未徹底解決該問(wèn)(wèn)題。相比之下，ORNL團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在發(fā)(fā)現(xiàn)，通過(guò)(guò)向合金中添加TiC顆粒并轉(zhuǎn)換為EBM，可以制造出具有更高水平的堅(jiān)固性和剛性的微結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)使用定制的Arcam3D打印機(jī)（如圖）進(jìn)(jìn)行研究

為了配制材料，科學(xué)(xué)家將Mo和TiC粉末以60:40的比例混合在一個(gè)(gè)刻度量筒中，該量筒充滿(mǎn)了氬氣以防止氧化。然后，使用行星式球磨機(jī)將所得的金屬基質(zhì)(zhì)復(fù)合材料機(jī)械合金化8小時(shí)(shí)，直到可以進(jìn)(jìn)行3D打印為止。為了處理他們的新粉末，ORNL團(tuán)隊(duì)開(kāi)(kāi)發(fā)(fā)了定制的ArcamS12 EBM3D打印機(jī)，其特征是改進(jìn)(jìn)的構(gòu)建腔，該構(gòu)建腔由活塞，進(jìn)(jìn)料器，耙子和工作臺(tái)粉末床輸送系統(tǒng)組成。該機(jī)器的升級(jí)有效地優(yōu)(yōu)化了其小批量生產(chǎn)(chǎn)，同時(shí)(shí)實(shí)(shí)現(xiàn)了高級(jí)過(guò)(guò)程監(jiān)控和輔助物料進(jìn)(jìn)料。

利用他們的機(jī)器，研究人員選擇了3D打印六塊尺寸為12毫米（D）x13毫米（H）的零件，它們具有類(lèi)(lèi)似三明治的結(jié)構(gòu)，其中包含一層包裹在兩層純鉬之間的強(qiáng)鉬。有趣的是，SEM成像顯示，純樣品均未出現(xiàn)任何開(kāi)(kāi)裂，但由于粉末散布，它們的確存在一些表面不一致性。后來(lái)(lái)，研究小組進(jìn)(jìn)行了熱力學(xué)(xué)建模，這也表明該過(guò)(guò)程對(duì)成分和溫度的變化仍然極為敏感。結(jié)果，ORNL的科學(xué)(xué)家推測(cè)，嚴(yán)格管理工藝輸入將是使用鉬制造未來(lái)(lái)微結(jié)構(gòu)的關(guān)(guān)鍵，而不會(huì )(huì)導(dǎo)致加工過(guò)(guò)程中零件層的一致性或溫度梯度發(fā)(fā)生變化。

最終，研究人員還得出結(jié)論，他們證明了3D打印純無(wú)(wú)裂紋鉬的可行性，并且通過(guò)(guò)完善的參數(shù)設(shè)置，該合金可以在航空航天或能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)(lǐng)域，例如傳熱組件等領(lǐng)(lǐng)域找到新的應(yīng)用。

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