金屬3D打印“局部微觀結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)編程”—多體積激光能量密度控制技術(shù)

金屬3D打印控形控性技術(shù)研究似乎是一個(gè)永恒的、又好像是一個(gè)比較老的話題，它的理解差異在于怎樣理解控形控性。在同一部件的不同部位或表面上局部改變微觀結(jié)構(gòu)、相組成和金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)局部所需的熱和機(jī)械性能，是可能的理解方向之一。

這種制造特點(diǎn)有著明確的應(yīng)用場(chǎng)景，本文內(nèi)容將以案例講述，并介紹多體積可變激光能量密度（MV-LED）控制技術(shù)，后者能夠?qū)崿F(xiàn)金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)編程。

局部性能調(diào)控需求

以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，燃燒室襯里是材料科學(xué)領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的幾何結(jié)構(gòu)之一。這些薄薄的表面（厚度小于2毫米）將溫度約為100K的液態(tài)低溫推進(jìn)劑（在冷卻通道中流動(dòng)）與溫度超過(guò)3000K的燃燒室隔開(kāi)。冷卻通道內(nèi)的壓力超過(guò)100bar，加上材料所承受的熱循環(huán)，導(dǎo)致了一種特殊的基于溫度塑性變形的現(xiàn)象，稱(chēng)為低周熱疲勞（LCTF），它是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要失效模式之一。在這種熱疲勞中，循環(huán)變形是由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間交替加熱和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的溫度梯度，導(dǎo)致固體內(nèi)部受限的差異熱膨脹而產(chǎn)生的。因此，必須對(duì)襯里的微觀結(jié)構(gòu)和冶金性能進(jìn)行特殊處理，以確保其在穩(wěn)定的循環(huán)條件下保持性能，避免因運(yùn)行時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的變化而改變。

GRCop42，是NASA專(zhuān)門(mén)為航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造開(kāi)發(fā)的高端3D打印銅合金，它在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)熱性和耐蠕變特性。該材料在3D打印和后處理過(guò)程中若能進(jìn)行正確的“微觀結(jié)構(gòu)編程”，則可獲得近乎穩(wěn)定的力學(xué)和熱學(xué)性能。相反，鎳基合金在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行引起的熱循環(huán)以及啟動(dòng)和關(guān)閉的劇烈瞬態(tài)過(guò)程中，其微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。

多體積激光能量密度控制技術(shù)

3D打印技術(shù)參考注意到，西班牙公司AENIUM開(kāi)發(fā)了一種基于激光的創(chuàng)新方法——MVLED技術(shù)。該公司表示，這項(xiàng)技術(shù)能夠通過(guò)控制冷卻比中的熱梯度，對(duì)激光能量密度算法進(jìn)行編程，從而逐體素地精確定義零件的微觀結(jié)構(gòu)。利用這種方法，可以根據(jù)應(yīng)用需求和合金類(lèi)型，在單個(gè)零件上改變其機(jī)械、熱學(xué)和電學(xué)性能。

通過(guò)這種方法，可以生成或稀釋金屬間化合物，并顯示或隱藏某些相或微觀成分，從而能夠利用動(dòng)態(tài)控制的多個(gè)工藝參數(shù)來(lái)構(gòu)建零件，這些參數(shù)可應(yīng)用于需要改變其機(jī)械/熱性能的特定區(qū)域或表面，從而在熱處理、熱等靜壓（HIP）和后處理之前，對(duì)不同的材料特性進(jìn)行突破性的精確控制。MVLED技術(shù)取得的部分成果包括：

• 疲勞極限（最大變化幅度為 52%）

• 彈性模量（變化幅度高達(dá) 50%）

• 斷裂伸長(zhǎng)率（變化幅度高達(dá) 43%）

• 熱導(dǎo)率（變化幅度高達(dá) 42%）

• 硬度（變化幅度高達(dá) 38%）

• 夏比沖擊強(qiáng)度（變化幅度高達(dá) 26%）

• 蠕變（冷流）（變化幅度高達(dá) 25%）

• 比重（偏差不超過(guò)10%）

• 脫氣限值（TML）（最大偏差6.0%）

Ampudia表示：“根據(jù)合金的不同，M-VLED技術(shù)能夠讓我們逐體素地精確控制零件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、導(dǎo)熱系數(shù)、硬度、表面粗糙度、殘余應(yīng)力等多個(gè)參數(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠產(chǎn)生熱橋效應(yīng)、非導(dǎo)電外殼、不同的LCTF行為，減少部分后處理工作量，并控制零件的殘余應(yīng)力?！?/p>

基于對(duì)GRCop42合金的深入研究，他們定義了微觀結(jié)構(gòu)及其后續(xù)的零件性能，在不引入孔隙的情況下，實(shí)現(xiàn)了特定區(qū)域和特定表面的性能變化。”

將MVLED技術(shù)集成進(jìn)3D打印過(guò)程

Aenium公司將MVLED技術(shù)集成進(jìn)了EOS金屬3D打印機(jī)中，并制造了具有局部性能調(diào)控的GRCop42銅合金氣動(dòng)尖錐發(fā)動(dòng)機(jī)。整個(gè)制造過(guò)程涉及：

• LPBF過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)管理和激光控制

• 硬件改造和特殊工藝條件

• 原材料質(zhì)量和處理

• 密集的后期處理

LPBF工藝引入了眾多工藝變量，這些變量決定了最終零件的冶金性能。這些變量包括氣氛、能量密度、冷卻比、掃描策略、流變學(xué)和粉末特性。對(duì)所有這些變量的精確控制決定了工藝結(jié)果。通常，工藝穩(wěn)定性會(huì)因區(qū)域或成型平臺(tái)位置的不同而變化。這給應(yīng)用M-VLED工藝控制微觀結(jié)構(gòu)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。眾所周知，氣體流動(dòng)分布在整個(gè)成型平臺(tái)上并非100%均勻——在大尺寸LPBF設(shè)備中尤其明顯——而且由于光學(xué)元件和激光模塊的壽命，激光變量在成型過(guò)程中也會(huì)發(fā)生輕微變化。

為了應(yīng)用M-VLED技術(shù)，這些因素需要進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)測(cè)量和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)涉及的多個(gè)參數(shù)和零件區(qū)域的精確控制。通過(guò)激光和光學(xué)器件提供的能量密度，實(shí)現(xiàn)了高冷卻比，最終決定在腔室內(nèi)使用氦氣進(jìn)行制造工藝驗(yàn)證。結(jié)果表明，與氬氣氣氛相比，氦氣氣氛能更好地控制Cr2Nb析出元素，從而獲得更佳的結(jié)果。

為了避免首層打印出現(xiàn)問(wèn)題，工程師對(duì)構(gòu)建平臺(tái)進(jìn)行了精確研究，并利用一個(gè)特殊平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了更佳的熱控制和熱分布。構(gòu)建平臺(tái)上的粉末分布及其流動(dòng)性也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。他們還測(cè)試并優(yōu)化了顆粒分布，最終通過(guò)不同批次的實(shí)驗(yàn)確定了最佳參數(shù)。即便如此，通過(guò)改進(jìn)鋪粉系統(tǒng)以提高流動(dòng)性，并采用熱處理，仍然獲得了最佳結(jié)果。而這些改進(jìn)旨在提高工藝的穩(wěn)定性和均勻性。

盡管預(yù)處理和增材制造工藝非常重要，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的應(yīng)用還需要精確的后處理。一個(gè)重要的挑戰(zhàn)在于，如何在大量的后處理之后仍保持所需的微觀結(jié)構(gòu)。以GRCop42銅合金氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其在打印之后，可能會(huì)涉及到高壓循環(huán)、熱循環(huán)以及其他化學(xué)和電化學(xué)方法來(lái)處理流道和噴嘴的粗糙度。

比較遺憾的是筆者并未查詢到Aenium公司MVLED技術(shù)更多的細(xì)節(jié)，但這種能量控制技術(shù)似乎與EOS公司的Smart Fusion技術(shù)類(lèi)似，能在制造過(guò)程中智能管理熱量分布。熱量的管理就是通過(guò)調(diào)整激光參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，筆者也曾與EOS的工程師核實(shí)，確實(shí)可在同一層的不同位置輸入不同的能量，進(jìn)而可以調(diào)整材料的局部微觀組織。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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