近日，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）開發(fā)出一種被稱為“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，它克服了這類合金通常的脆性和易氧化性。經(jīng)過（EMD）打印，該金屬基復(fù)合材料就會產(chǎn)生致密，無裂紋的可承受極端溫度的零件。ORNL的Mike Kirka說：“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?！薄坝扇廴诜勰┬纬傻慕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)是熔點(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，鉬對加工過程中的氮和氧污染極為敏感，這會導(dǎo)致其晶界偏析，導(dǎo)致零件開裂。在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行的有限研究中，科學(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)商Plansee Group的研究人員就設(shè)法使用模擬數(shù)據(jù)來量化鉬的粒度如何對其SLM打印敏感性作出貢獻(xiàn)，但并未徹底解決該問題。相比之下，ORNL團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，通過向合金中添加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)行研究

為了配制材料，科學(xué)家將Mo和TiC粉末以60:40的比例混合在一個(gè)刻度量筒中，該量筒充滿了氬氣以防止氧化。然后，使用行星式球磨機(jī)將所得的金屬基質(zhì)復(fù)合材料機(jī)械合金化8小時(shí)，直到可以進(jìn)行3D打印為止。為了處理他們的新粉末，ORNL團(tuán)隊(duì)開發(fā)了定制的ArcamS12 EBM3D打印機(jī)，其特征是改進(jìn)的構(gòu)建腔，該構(gòu)建腔由活塞，進(jìn)料器，耙子和工作臺粉末床輸送系統(tǒng)組成。該機(jī)器的升級有效地優(yōu)化了其小批量生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高級過程監(jiān)控和輔助物料進(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)任何開裂，但由于粉末散布，它們的確存在一些表面不一致性。后來，研究小組進(jìn)行了熱力學(xué)建模，這也表明該過程對成分和溫度的變化仍然極為敏感。結(jié)果，ORNL的科學(xué)家推測，嚴(yán)格管理工藝輸入將是使用鉬制造未來微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，而不會導(dǎo)致加工過程中零件層的一致性或溫度梯度發(fā)生變化。

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

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