顶刊评述：金属3D打印或成高温合金的颠覆性技术！

　　金属3D打印技术可高效制造复杂结构同时节省材料，对于高温合金而言很有吸引力，尤其是应用于多孔或中空的航空航天部件。5月11日，国际著名高温合金专家、国际高温合金学会主席、英国伯明翰大学材料冶金系Roger C. Reed教授研究团队受邀在顶级期刊《Nature Communications》上发表评论文章，回顾高温合金的历史，讨论3D打印对高温合金的挑战，并对该方向今后的发展进行展望。

　　高温合金是指以铁、钴、镍为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，又称超级合金。其具有优异的高温强度，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。它们最初是为涡轮喷气发动机中的燃气轮机组件开发，现在已广泛用于航空航天和能源领域。不过，高温合金的制造工艺窗口很窄，通常在冗长且高昂的繁复工序后，再通过机加工才能得到最终的部件。

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　　3D打印或将彻底改变高温合金加工过程

　　传统上，制造是高温合金应用的“致命弱点”，如果不进行冗长而昂贵的铸件减材制造，就无法获得结构上的良好性能。当今社会人们仍然在使用可以追溯到古代的精密熔模铸造工艺。精密铸造涉及多种化学和工艺控制，在铸造和随后的零件机加工过程中会产生大量的废料，以涡轮叶片为例，大约只有10％的高温合金会变成最终成品。

　　叶片的铸造工艺步骤非常繁琐（图为陶瓷芯的蜂蜡叶片）

　　3D打印作为一种新的材料成型方式，可使高温合金的加工过程发生根本变化，不仅减少了制造步骤更能节省大量材料。在激光和计算机辅助制造条件下，材料能够逐点逐层成型，从而赋予了工程人员更高的设计自由度，与减材制造相比，空心、点阵和泡沫结构因此成为可能。

　　叶片的数控加工方法会造成大量材料浪费

　　此外，3D打印在微米尺度和时间尺度上熔化和重熔金属粉末，可产生极高的冷却速度，这与传统的冶金过程有很大不同，材料在凝固过程中就消除了传统工艺中出现的枝晶偏析，同时抑制了γ'相沉淀。这为设计新的热处理方案来优化析出相， 获得与3D打印超级合金高强度相关的理想微结构创造了条件。

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　　高温合金3D打印材料和制造设计

　　然而，3D打印在高温合金复杂空心结构（如喷气涡轮叶片）中的 广泛应用仍不是一件简单的事。为了成功利用高温合金中3D打印技术，我们需要对工艺的科学性有更好的理解；然而目前该技术在许多方面仍然是模糊的，金属3D打印技术的基本原理涉及跨越长度和时间尺度的多种物理和化学现象。例如，当激光与金属粉末接触时，物质的所有四种可能状态——固、液、气和等离子体发生相互作用，而且几乎没有任何物理模型可以展现这种复杂性。此外，快速和重复的热循环会导致强烈的温度梯度，从而导致亚稳态的化学、结构和机械状态，进而引发危及性能的冶金缺陷。

　　粉末床熔融技术多尺度、多物理现象示意图

　　在增材制造过程中发生的不同物理效应和相关物理过程包括：气体膨胀引起的粉末颗粒动力学、与激光相互作用时捕获固-液-汽相转变的热流体动力学、固相转化以及开裂等损伤机理。

　　此外，大多数常规高温合金无法轻松地从熔模铸造过渡到3D打印制造，因为它们均已针对特定的加工路线（如锻造、焊接和铸造）进行了优化。由于3D打印过程的快速重复热循环，可以通过成分计算数据驱动的方式设计出针对3D打印工艺参数的新成分，从而针对高冷却速率调整微观结构和性能。因此，针对3D打印进行了优化且旨在减轻冶金缺陷（如关键高温部件中的气孔和裂纹）的新型牌号的超级合金，对于成功实现商业化至关重要。

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　　高温合金3D打印面临科学和技术挑战

　　我们设想合金成分和制造模型都经过了精心设计，打印策略也经过了优化，那么便有可能制造出高质量的零件，但实际上仍面临科学问题和技术问题的挑战。

　　3D打印技术面临的科学和技术挑战

　　3D打印面临的科学方面的挑战包括粉末流动性和粉末粒度分布、与热源的相互作用、形成的分层微观结构、减少缺陷和更好地量化冶金特征。技术方面的挑战包括工艺参数优化、实时监控、鉴定标准的建立、高通量测试和放大组件的制造。3D打印用高温合金的设计必须兼顾可制造性、力学一致性、稳定性和成本。

　　这些问题最好使用数据驱动的方法来解释从金属粉末特性到大自由度的打印策略等复杂工艺参数对制造过程的影响，这离不开数据科学、基于物理的建模、过程建模和人工智能的支持。3D打印的更多技术层面，如原材料和后处理过程对实现包括减少缺陷和保障质量在内的组件一致性至关重要。在商业过程中使用3D打印工艺虽然不需要太基础的研究，但仍需要多尺度过程建模、改进现场监控和后处理手段，并采用全面的工业标准，特别是因为这些合金是专为航空航天领域的关键任务而设计的。

　　高温合金3D打印材料设计方法要求使用从粉末加工到熔化，以及从打印策略到热处理的所有数据，这些都是以有意识地设计成分和加工路线的名义来实现缺陷最小、浪费最少以及理想的微观结构-性能关系。这种制造方法将为设计高性能结构金属部件提供更为周到和高效的方法，同时尊重环境并促进可持续性发展。