亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn)學(xué)院(DAP) 的研究人員已開始使用超高速激光材料沉積 (EHLA) 3D 打印技術(shù)開發(fā)用于激光粉末床融合 (PBF) 的新合金。

EHLA最初于2017年開發(fā)，是弗勞恩霍夫ILT對大容量定向能量沉積(DED) 的嘗試。增材制造技術(shù)旨在作為金屬零件的涂層和修復(fù)方法，并有可能取代當(dāng)前的腐蝕和磨損保護(hù)方法，如鍍硬鉻和熱噴涂。

RWTH調(diào)查涉及比較兩種印刷技術(shù)的工藝特性，在材料能力的可轉(zhuǎn)移性方面產(chǎn)生了可喜的結(jié)果。從本質(zhì)上講，DAP團(tuán)隊認(rèn)為它可以使EHLA成為PBF 3D打印的快速合金開發(fā)平臺。

EHLA 3D打印工藝由Fraunhofer ILT于2017年開發(fā)，用于金屬涂層應(yīng)用。圖片來源：亞琛工業(yè)大學(xué)。

EHLA作為PBF的合金開發(fā)平臺

PBF是關(guān)鍵行業(yè)中使用更廣泛的增材制造技術(shù)之一，使用戶能夠3D打印具有優(yōu)化幾何形狀的高強度金屬零件。PBF的一個顯著優(yōu)勢是它能夠加工傳統(tǒng)制造技術(shù)難以解決的合金，但DAP團(tuán)隊確認(rèn)，由于合金開發(fā)過程的難度，這種潛力尚未得到充分利用。制造能夠充分利用LBF工藝特性（例如高冷卻速率）的合金既耗費時間又耗費資源。

EHLA具有原位單一粉末供應(yīng)和類似 PBF 的冷卻速率等工藝質(zhì)量，具有正確的先決條件，使其成為PBF的出色合金驗證平臺，所有這些都以快速和資源高效的方式進(jìn)行。

光學(xué)顯微鏡顯微照片下的EHLA與PBF熔池。圖片來源：亞琛工業(yè)大學(xué)。

比較兩種3D打印工藝

首先，DAP研究人員首先確定了影響冷卻速度的相關(guān)EHLA和PBF工藝參數(shù)，進(jìn)而影響打印部件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。這些發(fā)現(xiàn)被用于3D打印由高錳鋼 (X30Mn22) 制成的樣品部件。最后，比較了PBF和EHLA產(chǎn)生的樣品的微觀結(jié)構(gòu)特性，以確認(rèn)團(tuán)隊關(guān)于EHLA適用于合金開發(fā)的假設(shè)。

由于激光能量源的強度對冷卻速率有重大影響，因此計算并比較了兩種3D打印過程的此參數(shù)。研究小組發(fā)現(xiàn)，PBF中的強度幾乎是EHLA中的14倍，但材料與激光束之間的相互作用時間在EHLA中大約高出10倍，因此這些效應(yīng)相互抵消并導(dǎo)致類似的能量輸入。

此外，該團(tuán)隊通過測量和比較兩組打印樣品中的枝晶臂間距 (DAS) 來確定EHLA工藝速度對冷卻速率的影響。增加EHLA工藝速度會降低DAS，這表明工藝速度對冷卻速率也有顯著影響。

研究過程可轉(zhuǎn)移性的另一個指標(biāo)是能量體積密度，這表明兩種3D打印技術(shù)具有相似的熱平衡。

總而言之，DAP研究人員發(fā)現(xiàn)兩組打印樣品中的微觀結(jié)構(gòu)相似，并且可以通過修改EHLA的工藝速度等工藝參數(shù)來進(jìn)一步均勻化。因此，他們得出的結(jié)論是，所得的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能與EHLA和PBF相當(dāng)，使前者成為后者的合適合金篩選和開發(fā)工具。

就未來的工作而言，該團(tuán)隊旨在比較打印樣品組的化學(xué)成分，并檢查其他工藝參數(shù)，例如粒子速度和粉末質(zhì)量流量。此外，由于技術(shù)之間能量輸入的差異，還將研究和比較各種合金的蒸發(fā)行為。

在3D打印樣品中獲得的樹枝狀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡 (SEM) 成像。圖片來源：亞琛工業(yè)大學(xué)。

合金開發(fā)是增材制造界正在進(jìn)行的積極研究領(lǐng)域。就在最近，由香港城市大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員使用3D打印設(shè)計了一種“超強、高延展性和超輕”的新型鈦基合金。科學(xué)家們相信他們的工作可以為新材料開發(fā)模式鋪平道路，利用3D打印技術(shù)來制造具有適合工業(yè)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和性能的合金。

澳大利亞國家科學(xué)機(jī)構(gòu)CSIRO還開發(fā)了一種新工藝，將廉價的合金廢料轉(zhuǎn)化為用于3D打印的高價值鈦絲。據(jù)報道，CSIRO團(tuán)隊是澳大利亞第一個以這種方式生產(chǎn)鈦絲的團(tuán)隊，其產(chǎn)品可用于制造航空航天部件等3D打印部件。