金属 3D 打印中的原位合金化

1。简介：21 世纪的炼金术

增材制造的经典方法是使用预合金粉末：例如，您购买 Inconel 718 粉末并打印 Inconel 组件。然而，生产专用预合金粉末（通过雾化）极其昂贵，只有在大量购买时才经济。

这就是“原位合金化”的用武之地：在打印过程中，不使用成品合金粉末，而是将纯元素粉末（例如铁、铬、镍）直接在 3D 打印机（DED 或 PBF）的熔池中熔化在一起，实时创建全新的合金。

2。原位合金化技术

根据打印工艺的不同，方法实现也不同：

• 定向能量沉积（LMD/DED-P）：此处使用了多个独立的粉末输送机。例如，纯钛粉通过喷嘴 1 送入，钽粉通过喷嘴 2 送入。在打印过程中可以通过软件实时控制混合速率。这使得“功能梯度材料”成为可能——一种从材料 A 平滑过渡到材料 B 的组件。
• 激光粉末床融合 (PBF-LB)：在此，纯元素粉末按照所需比例（混合粉末）提前机械混合，然后正常刮入粉末床。激光将颗粒熔化在一起。

3。冶金挑战

激光的纯热量通常不足以制造绝对均匀的材料。熔池仅存在几毫秒。

• 熔点差异：如果粉末 A 在 1,500 °C 时熔化，而粉末 B 仅在 3,000 °C 时熔化（例如添加钨时），则粉末 B 可能仅熔化不完全，并以“块”（未熔化颗粒）的形式保留在结构中。
• 马兰戈尼对流：为了实现良好的混合，利用熔池中温差产生的流动（马兰戈尼效应）。激光通常必须多次经过同一点（重新熔化）才能使元素完全合金化。

4。新型高熵合金（HEA）的开发

原位合金化最令人兴奋的应用之一是高熵合金的研究。它们不是由一种主要金属（如钢中的铁）组成，而是由几乎相等比例的五种或更多金属组成（例如 Co-Cr-Fe-Ni-Mn）。

它们具有完全荒谬的特性（例如，它们在太空极冷的情况下变得更强而不是脆弱）。使用原位合金化的 3D 打印是可以在本地和复杂几何形状中高效生产和测试这些高熵合金的唯一工艺。

5。结论：实验室里的激光头

原位合金化将 3D 打印机变成高性能冶金实验室。对于批量生产来说，该过程通常太不稳定（因为认证和质量保证极其复杂）。然而，在全新的、与应用相关的特种合金（定制合金）的研发中，原位合金化是材料科学的绝对先锋。