研究人员使用SLM技术3D打印单晶纯镍及3D打印单晶热处理制度
多年来，对3D打印镍基高温合金的需求不断增长，这些材料通常具有出色的机械性能、耐腐蚀性和抗蠕变性，能够在500°C以上的温度范围内工作。因此，它们是航空航天领域的首选材料，用于制造涡轮叶片等发动机部件。
单晶涡轮叶片能够在比合金材料高得多的温度下工作，但迄今为止，镍基单晶高温合金的增材制造已被证明非常困难。虽然可以通过电子束熔化(EBM)进行加工，但使用SLM等基于激光的技术通常需要使用单晶构建基板。
近日，3D打印技术参考了解到，来自日本国家材料科学研究所、九州大学和大阪大学的团队已经使用平顶激光3D打印了单晶镍，且完全不需要单晶基板。
使用SLM打印时，密切控制零件的晶界、应变抑制和组织均匀性是一个棘手的过程。由于打印过程中顶层与底层之间存在极大的温度梯度，重复的热循环导致高应变和位错密度，造成内部动态结晶和新晶粒的形成。
对于更精确的微观结构控制，尤其是为了获得单晶，用户要么需要微调扫描策略，要么从一开始就使用单晶基板。
研究人员表示，传统基于高斯的光束造成了典型的SLM显微组织和和微观结构，但目前还没有针对平顶光束的研究。在本研究中，研究人员使用SLM Solutions SLM 280HL系统在Ar环境中打印了纯镍结构。首先，多晶镍板用于检查单个平顶激光轨迹的行为，以便估计后续熔池的形状。
测量熔池深度并使用观察到的熔池几何形状在多晶304不锈钢基板上打印由Ni制成的圆柱形试样。每个试样都经过研磨和抛光，并使用扫描电子显微镜成像和电子背散射衍射研究微观结构。
通过优化平面熔池，该团队在不依赖单晶构建板的情况下，成功地3D打印了由纯镍制成的均质单晶结构。研究人员表示，这项工作为如何使用各种参数控制SLM工艺中的微观结构及其相关特性提供了新的见解，特别是在确保单晶结构方面。在未来的研究中，这些发现将应用于更广泛的金属合金。
论文地址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000408#!
然而，3D打印材料凝固过程冷却速度快的突出特点，极易造成高残余应力和高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。
在2020年，由西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学组成的研究团队刊文指出，从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制热处理制度，可以解决单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。
3D打印镍基单晶的微观结构演变，与研究的新型高温还原退火相比较图
高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。研究团队经过系统的文献调研与综合分析，提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。
经过“回复-固溶-时效”处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。
镍基高温合金叶片
这一发现为防止3D打印单晶由于残余应力未消除而开裂提供了一种实用方法，为增材制造修复、恢复和重塑其他高温合金单晶产品铺平了道路；突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。
该研究以《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》（Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys）为题在材料学科权威期刊Advanced Materials上发表(doi: 10.1002/adma.201907164)。
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