金屬3D打印“局部微觀結構精準編程”—多體積激光能量密度控制技術

金屬3D打印控形控性技術研究似乎是一個永恒的、又好像是一個比較老的話題，它的理解差異在于怎樣理解控形控性。在同一部件的不同部位或表面上局部改變微觀結構、相組成和金屬間化合物，實現局部所需的熱和機械性能，是可能的理解方向之一。

這種制造特點有著明確的應用場景，本文內容將以案例講述，并介紹多體積可變激光能量密度（MV-LED）控制技術，后者能夠實現金屬合金的微觀結構編程。

局部性能調控需求

以火箭發動機為例，其在穩態運行期間，燃燒室襯里是材料科學領域最具挑戰性的幾何結構之一。這些薄薄的表面（厚度小于2毫米）將溫度約為100K的液態低溫推進劑（在冷卻通道中流動）與溫度超過3000K的燃燒室隔開。冷卻通道內的壓力超過100bar，加上材料所承受的熱循環，導致了一種特殊的基于溫度塑性變形的現象，稱為低周熱疲勞（LCTF），它是火箭發動機的主要失效模式之一。在這種熱疲勞中，循環變形是由于火箭發動機穩態運行期間交替加熱和冷卻過程中產生的溫度梯度，導致固體內部受限的差異熱膨脹而產生的。因此，必須對襯里的微觀結構和冶金性能進行特殊處理，以確保其在穩定的循環條件下保持性能，避免因運行時間和循環次數的變化而改變。

GRCop42，是NASA專門為航天發動機制造開發的高端3D打印銅合金，它在高溫下表現出優異的導熱性和耐蠕變特性。該材料在3D打印和后處理過程中若能進行正確的“微觀結構編程”，則可獲得近乎穩定的力學和熱學性能。相反，鎳基合金在火箭發動機運行引起的熱循環以及啟動和關閉的劇烈瞬態過程中，其微觀結構會發生改變。

多體積激光能量密度控制技術

3D打印技術參考注意到，西班牙公司AENIUM開發了一種基于激光的創新方法——MVLED技術。該公司表示，這項技術能夠通過控制冷卻比中的熱梯度，對激光能量密度算法進行編程，從而逐體素地精確定義零件的微觀結構。利用這種方法，可以根據應用需求和合金類型，在單個零件上改變其機械、熱學和電學性能。

通過這種方法，可以生成或稀釋金屬間化合物，并顯示或隱藏某些相或微觀成分，從而能夠利用動態控制的多個工藝參數來構建零件，這些參數可應用于需要改變其機械/熱性能的特定區域或表面，從而在熱處理、熱等靜壓（HIP）和后處理之前，對不同的材料特性進行突破性的精確控制。MVLED技術取得的部分成果包括：

• 疲勞極限（最大變化幅度為 52%）

• 彈性模量（變化幅度高達 50%）

• 斷裂伸長率（變化幅度高達 43%）

• 熱導率（變化幅度高達 42%）

• 硬度（變化幅度高達 38%）

• 夏比沖擊強度（變化幅度高達 26%）

• 蠕變（冷流）（變化幅度高達 25%）

• 比重（偏差不超過10%）

• 脫氣限值（TML）（最大偏差6.0%）

Ampudia表示：“根據合金的不同，M-VLED技術能夠讓我們逐體素地精確控制零件的屈服強度、抗拉強度、斷裂伸長率、導熱系數、硬度、表面粗糙度、殘余應力等多個參數。這項技術的優勢在于能夠產生熱橋效應、非導電外殼、不同的LCTF行為，減少部分后處理工作量，并控制零件的殘余應力。”

基于對GRCop42合金的深入研究，他們定義了微觀結構及其后續的零件性能，在不引入孔隙的情況下，實現了特定區域和特定表面的性能變化。”

將MVLED技術集成進3D打印過程

Aenium公司將MVLED技術集成進了EOS金屬3D打印機中，并制造了具有局部性能調控的GRCop42銅合金氣動尖錐發動機。整個制造過程涉及：

• LPBF過程中的微觀結構管理和激光控制

• 硬件改造和特殊工藝條件

• 原材料質量和處理

• 密集的后期處理

LPBF工藝引入了眾多工藝變量，這些變量決定了最終零件的冶金性能。這些變量包括氣氛、能量密度、冷卻比、掃描策略、流變學和粉末特性。對所有這些變量的精確控制決定了工藝結果。通常，工藝穩定性會因區域或成型平臺位置的不同而變化。這給應用M-VLED工藝控制微觀結構帶來了挑戰。眾所周知，氣體流動分布在整個成型平臺上并非100%均勻——在大尺寸LPBF設備中尤其明顯——而且由于光學元件和激光模塊的壽命，激光變量在成型過程中也會發生輕微變化。

為了應用M-VLED技術，這些因素需要進行精確的實時測量和控制，從而實現對涉及的多個參數和零件區域的精確控制。通過激光和光學器件提供的能量密度，實現了高冷卻比，最終決定在腔室內使用氦氣進行制造工藝驗證。結果表明，與氬氣氣氛相比，氦氣氣氛能更好地控制Cr2Nb析出元素，從而獲得更佳的結果。

為了避免首層打印出現問題，工程師對構建平臺進行了精確研究，并利用一個特殊平臺實現了更佳的熱控制和熱分布。構建平臺上的粉末分布及其流動性也帶來了一些挑戰。他們還測試并優化了顆粒分布，最終通過不同批次的實驗確定了最佳參數。即便如此，通過改進鋪粉系統以提高流動性，并采用熱處理，仍然獲得了最佳結果。而這些改進旨在提高工藝的穩定性和均勻性。

盡管預處理和增材制造工藝非常重要，但對發動機這樣的應用還需要精確的后處理。一個重要的挑戰在于，如何在大量的后處理之后仍保持所需的微觀結構。以GRCop42銅合金氣動塞式發動機為例，其在打印之后，可能會涉及到高壓循環、熱循環以及其他化學和電化學方法來處理流道和噴嘴的粗糙度。

比較遺憾的是筆者并未查詢到Aenium公司MVLED技術更多的細節，但這種能量控制技術似乎與EOS公司的Smart Fusion技術類似，能在制造過程中智能管理熱量分布。熱量的管理就是通過調整激光參數來實現，筆者也曾與EOS的工程師核實，確實可在同一層的不同位置輸入不同的能量，進而可以調整材料的局部微觀組織。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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