从熔池动力学出发，EOS揭示光束整形金属3D打印，制造更高质量的高温合金！

3D打印技术参考注意到，EOS近日宣布采用先进的光束整形技术成功开发出247高温合金的3D打印制造工艺。本期内容，笔者将介绍该合金的材料特点、应用、制造难点以及EOS解决方案。

采用EOS IN738 3D打印的涡轮叶片（仅做展示）

一种非常著名的高性能高温合金

笔者查询到，247高温合金是一种非常著名的高性能镍基铸造高温合金，在高温下具有极高的强度、优异的抗蠕变和抗疲劳性能。其工作温度可达1040°C以上，长期使用温度也在980°C左右。最主要的应用是制造航空发动机和燃气轮机中工况最严苛的涡轮叶片和导向器叶片。

然而，247合金是一种典型的沉淀强化型合金，其高合金化程度（富含铝、钛、钽、钨等元素以形成强化相）和固有的高温强度，使得它在激光3D打印的快速加热和冷却过程中，具有很高的裂纹敏感性。因此，直接打印它极具挑战性，通常需要配合极高的基板预热（例如超过800°C）或开发专门的工艺窗口。

高斯光束VS光束整形

若要实现高温合金无裂纹、高性能构件的可靠3D打印，需要从合金成分设计（降低凝固区间、控制γ′析出动力学）、工艺优化（预热、扫描策略、能量输入）和热处理（HIP、热处理、液相愈合）三方面协同入手。

多年来，行业内探索了多种策略来减少易裂材料（例如247合金）的裂纹，包括改变合金的化学成分或进行复杂的机器改造，例如高温预热。虽然这些方法取得了一定的成功，但它们通常会在工艺稳定性和可扩展性方面带来权衡。

传统3D打印的247高温合金中的裂纹类型

EOS指出，通过将先进的加工策略与光束成形技术和后处理技术相结合，EOS NickelAlloy 247已正式成为该公司超合金材料组合之一。光束整形不仅仅是为了提高生产率，它还带来了新的熔池动力学，和显著改善的打印质量。

在传统的激光粉末床熔融（LPBF）系统中，单模激光器通常采用高斯强度分布，这限制了对熔池动力学的控制，尤其对于易开裂的材料而言更是如此。 通过光束整形，可以改变光束强度分布，使其在核心高斯分布和环形分布之间切换，并可设置多种模式。

光束整形层光束中可用的环芯强度分布选项

从模式0（全高斯分布）到模式6（全环形分布），EOS可以根据材料类型和工艺要求选择合适的强度分布。这种灵活性能够根据材料和应用的具体需求调整能量输入，从而为加工以前被认为无法打印的合金开辟新的可能性。

光束整形带来的熔池动力学改变

在传统激光粉末床熔融（LPBF）工艺中，采用标准高斯光束模式并形成较深的熔池时，微裂纹往往出现在两个凝固前沿的交汇处，尤其是在取向差较大的情况下。此外，裂纹主要形成于晶界处，导致高斯激光束轮廓产生的细晶组织中裂纹密度较高。为了防止裂纹产生，这些标准工艺需要采用较小的层厚和激光功率。但这会导致成型时间过长和工艺不稳定，最终产生性能较差且不一致的成品。

镍基合金熔池形状及其在成形状态下的晶粒尺寸和取向

通过光束整形，可以改变强度分布，从而形成不同类型的熔池几何形状，能够在高功率和常规层厚下保持半圆形或扁平状的熔池形状。更平坦的熔池能够使凝固沿成型方向更加定向，从而避免熔池中心取向错误的凝固前沿发生碰撞。这使得成型后的样品裂纹密度极低。

此外，熔池层面的均匀定向凝固能够根据所需的性能特征定制晶粒尺寸。例如，较大的晶粒可能更有利于蠕变性能，而较小的晶粒则可提供更高的强度或更长的疲劳寿命。

采用不同光束形状和工艺制备的247合金中的缺陷

经过完整的热处理后，采用光束成形工艺的激光粉末床熔融（LPBF）材料可以生成尺寸从数百微米到1毫米的晶粒，这远大于LPBF通常的晶粒尺寸。此外，还可以制备出几乎没有裂纹、成型后缺陷率低于0.04%的样品（见上图）。剩余的少量缺陷可以通过后处理热等静压（HIP）进行处理（见下图）。

热等静压处理光束整形成型247样品的抛光显微图像

EOS推动247高温合金的工业化应用

EOS的目标是整合尖端设备、深厚的材料和工艺专业知识以及定制化的后处理技术，最大限度的减少微裂纹，并充分发挥这种高性能合金的潜力。该公司专注于能源、航空航天和国防领域的中小型零部件，在这些领域，EOS NickelAlloy 247的高温性能至关重要。

鉴于其技术复杂性，该工艺最初将与 Additive Minds的合作项目相结合，而非作为完全成熟的产品推出。 这包括：

➡️ 深入的零部件和应用评估

➡️ 设计和工艺优化

➡️ 定制化参数开发和验证

➡️ 基准测试构建和后处理指南

通过这种实践方法，EOS帮助客户推动247高温合金的3D打印应用，同时推进增材制造在裂纹敏感材料方面的更广泛能力。

注：Additive Minds是EOS旗下的专业咨询与教育服务部门，致力于帮助企业理解和应用工业级增材制造技术，并顺利完成数字化转型。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

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