媲美PBF合金強度，德國亞琛大學研究人員利用EHLA技術(shù)開發(fā)新合金

2022年2月9日，南極熊獲悉，來自亞琛工業(yè)大學數(shù)字增材生產(chǎn)（DAP）學院的研究人員已經(jīng)開始使用極端高速激光材料沉積（EHLA）3D打印技術(shù)來開發(fā)用于激光粉末床熔融（PBF）的新合金。

EHLA技術(shù)是FraunhoferILT于2017年針對大批量定向能量沉積（DED）的而開發(fā)的技術(shù)。這項增材制造技術(shù)主要作為一種金屬零件的涂層和修復方法，并有可能取代目前的腐蝕和磨損保護方法，如硬鉻電鍍和熱噴涂。

RWTH的調(diào)查涉及比較兩種打印技術(shù)的工藝特點，在材料制造能力的可轉(zhuǎn)移性方面產(chǎn)生了積極的效果。從本質(zhì)上講，DAP團隊認為它可以將EHLA作為PBF3D打印的快速合金開發(fā)平臺。

△EHLA三維打印工藝是由弗勞恩霍夫ILT在2017年開發(fā)的，用于金屬涂層應用。照片來自亞琛工業(yè)大學。

EHLA作為PBF的合金開發(fā)平臺

PBF是制造行業(yè)中使用較為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)難以處理的合金，但DAP團隊認為，由于合金開發(fā)過程的難度，這一潛力尚未得到利用。創(chuàng)建能夠充分利用LBF工藝特性（如高冷卻率）的合金既需要時間，也需要資源。

EHLA具有原位單粉末供應和類似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的一個重要的合金驗證平臺，所有這些都是在快速和資源效率的方式進行的。

△光鏡下的EHLA與PBF熔池的顯微照片。圖片來自亞琛工業(yè)大學。

EHLA和PBF兩種3D打印工藝的比較

首先，DAP的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)，這反過來又影響了打印部件的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。這些發(fā)現(xiàn)被用于3D打印由高錳鋼（X30Mn22）制成的樣品零件。最后，對PBF和EHLA產(chǎn)生的樣品的微觀結(jié)構(gòu)特性進行了比較，以確認該團隊關(guān)于EHLA適合于合金開發(fā)的假設。

由于激光能量源的強度對冷卻率有重大影響，因此研究團隊計算并比較了兩種3D打印工藝的這一參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PBF的強度幾乎是EHLA的14倍，但材料和激光束之間的相互作用期間大約是EHLA的10倍，因此這些影響被抵消，導致類似的能量輸入。

此外，研究小組通過測量和比較兩組打印樣品的樹枝狀臂間距（DAS），確定了EHLA的工藝速度對冷卻速率的影響。提高EHLA的工藝速度降低了DAS，表明工藝速度對冷卻速度也有重大影響。

調(diào)查工藝可轉(zhuǎn)移性的另一個指標是能量體積密度，這表明兩種3D打印技術(shù)具有類似的熱平衡。

總而言之，DAP的研究人員發(fā)現(xiàn)，兩組打印樣品的微觀結(jié)構(gòu)是相似的，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)（如EHLA的工藝速度）來進一步均勻化。因此，他們得出的結(jié)論是，EHLA和PBF所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能是可比的，使前者成為后者的合適的合金篩選和開發(fā)工具。

就未來的工作而言，該團隊的目標是比較打印樣品集的化學成分，并檢查其他工藝參數(shù)，如顆粒速度和粉末質(zhì)量流。此外，由于技術(shù)之間能量輸入的差異，各種合金的蒸發(fā)行為也將被研究和比較。

△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。圖片來自亞琛工業(yè)大學。

合金開發(fā)是增材制造界正在積極研究的一個領(lǐng)域。就在最近，由香港城市大學領(lǐng)導的一個研究小組利用3D打印技術(shù)設計了一種新的鈦基合金，它具有"超高強度、高延展性和超輕"的杰出性能�？茖W家們認為他們的工作可以為新的材料開發(fā)模式鋪平道路，即利用3D打印技術(shù)來創(chuàng)造具有適合工業(yè)應用的結(jié)構(gòu)和性能的合金。

澳大利亞的國家科學機構(gòu)CSIRO也開發(fā)了一種新的工藝，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團隊是澳大利亞第一個以這種方式生產(chǎn)鈦絲的團隊，其產(chǎn)品可用于制造3D打印部件，如航空航天部件。