3D trykning kan muliggøre effektiv fremstilling af kunstfærdige konstruktioner vanskelige at realisere konventionelt uden spild, såsom hule geometrier afnikkel-based superlegering aeronautiske komponenter. At udnytte denne metode, må man arbejde hen imodnye legeringer og processer.

    Conventional superlegeringer fremstilling

Superalloys, en familie af metal mix ud franikkel, cobalt eller jern, er resistente over for høj temperatur deformation, korrosion og oxidation, isærnår der arbejdes ved forhøjet temperaturnær deres smeltepunkt. De blev først udviklet til gasturbiner komponenter i turbojetmotorer, og ernu almindeligt anvendt til høje temperaturer i rum- og elproduktion industrier. For at opnå disse højtemperaturegenskaber (både mekanisk og kemisk), mikrostrukturelle kontrol er kritisk og muliggøres ved en kombination af specifik legeringselement tilføjelser og omhyggelige fremstillingsprocesser.

Nickel-based superlegeringer, den tidligste og bedst-developed superlegering familie, er afhængige af en TWOPHASE mikrostruktur bestående af en styrke fase-a dispersion af (Ni, Co) 3 (Al, Ti, Ta) præcipitater (af L12 krystallografi ) kaldet γ '-grown i en matrix af Cr-enriched Ni. Der kan også tilsættes andre legeringselementer såsom ildfaste (Re, Mo, W) eller metalloider (B, C). Baseret på deres kemi, disse legeringer ernogle af de mest komplekse menneskeheden har designet. Under konventionel behandling, denne afgørende udfældning forekommer via en diffusion-controlled reaktion under afkøling i temperaturområdet 1000-750 ° C1.

Manufacturing er traditionelt 'Achilles' hæl' af superlegeringer applikationer--structurally forsvarlig mekaniske egenskaber ikke blevet opnået uden lang-winded og kostbar subtraktiv fremstilling via bearbejdning af støbegods. I dag har vi stadig bruge præcision investering støbeprocesser denne dato tilbage til antikken. For eksempel for at fremstille en jetmotor turbinevinge, både en voks model og silica-based replika af kølekanalerne ernødvendige for at skabe en keramisk støbeform for hver komponent produceres, i hvilke kg smeltet metal støbes under vakuum. Afkøling til omgivelsernes betingelser tager flere timer, og det er umuligt at undertrykke udfældning af γ 'bundfald under afkøling; øvrigt meget omhyggelig efterfølgende varmebehandling af flere timer ved~1300 ° C ernødvendig--just under smeltetemperaturen--to reducere kemisk dendritiske segregering fra støbningen rute. Endelig bearbejdningnødvendig for at forme den endelige indviklede møllevinge geometri. Investeringen støbeprocessen involverer flere kemiske og proceskontrol med betydelig affald/scrappage dannet under støbning og efterfølgende bearbejdning af mølledele: kun omkring 10% af superlegeringer ender op som færdige goods2

 .

3D udskrivning som enny behandling avenue for superlegeringer

Ved hjælp 3D-print eller additiv produktion (AM), i stedet for investeringer støbning tillader behandling at forekomme radikalt anderledes, med reduceret fremstiller trin og minimal forarbejdning af affald. Laseren-based smeltning og konsolidering af fast pulver afnogle få gange ti mikrometer i diameter, lag-Ved-layer, under direkte input fra en computer-aided design (CAD) -system, tildeler en som-af-yet uudnyttet designfrihed : hule strukturer, skum-like eller gitter-based arkitekturer, med mere effektiv brug af materialer i en additiv i modsætning til subtraktiv måde. Desuden AM proces, med dets smeltepunkt og re-melting af fint pulver størrelse i mikron længde og tidsskala fører til høje afkølingshastigheder af 103-106 ° C/s og en meget anderledes metallurgisk reaktion på processing3. Størkning giver anledning til en meget fin cellulær snarere end dendritisk microstructure4, som eliminerer den dendritiske adskillelse fandt på konventionel behandling, hvilket fjerner behovet for en kemisk homogeniseringstrin. Udfældningen af ​​γ 'er også undertrykt af den alvorlige afkølingshastighed, der giver mulighed fornano-scale udfældning skal tilpasses under efterfølgende varmebehandling til forbedret properties5. Udfældningen fase kan optimeres ved at designenye varme behandlingsprotokoller at opnå ønskede mikrostrukturer forbundet med høj styrke i AM superalloys6.

However, udbredt anvendelse af AM i superlegeringer for komplekse hule strukturer såsom aero-jet turbineblade er stadig ikke ligetil. For at kunne gearing AM teknikker i superlegeringer, vi har brug for en bedre forståelse af videnskaben om processen; mange aspekter af det er uklare, fordi de grundlæggende elementer i AM involverer flere fysiske og kemiske fænomener tværs skalaer længde og tid (se fig. 1). For eksempel,når laseren kommer i kontakt med metalpulveret, alle mulige fire tilstandsformer--solid, flydende, gas damp og plasm--interact7, og meget få, hvis der findesnogen fysik-based modeller at løse denne kompleksitet. Hertil kommer, at arten af ​​de hurtige og gentagne termiske cykler inducerer intense termiske gradienter og dermed kemiske, strukturelle og mekaniske tilstande, der er metastabile, udløser metallurgisk defects8 som bringer properties9.

Finally, mest konventionelle superlegeringer kan ikke være let udvandrede fra investeringer støbning til 3D-print, fordi de er blevet optimeret til specifikke behandling ruter, f.eks smedningwelding og støbning. Grund af den hurtige og gentagne termiske cykling af AM proces kannye sammensætninger, der udnytter disse procesparametre konstrueres via en beregningsmæssig præparat-process data-driven tilgang til skræddersy mikrostruktur og egenskaber for AM køling rates3. Nye kvaliteter af superlegeringer optimeret til 3D-print og er designet til at afbøde metallurgiske defekter såsom porøsitet og cracking10 i kritisk høj-temperature komponenter er derfornøglen til en vellykket kommerciel tage-up.