麻省理工使用3D打印技術(shù)來強(qiáng)化航空航天、能源生產(chǎn)應(yīng)用中的關(guān)鍵材料

2023年5月22日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)宣稱開發(fā)出一種簡(jiǎn)單且廉價(jià)的方法來加強(qiáng)航空航天和能源生產(chǎn)領(lǐng)域中關(guān)鍵材料的性能。

△麻省理工學(xué)院利用3D打印技術(shù)為航空航天和新能源關(guān)鍵材料，開發(fā)出簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的強(qiáng)化方法

這些關(guān)鍵材料在航空航天和能源生產(chǎn)中扮演著重要角色，需要能夠承受極端條件下的高溫和拉伸應(yīng)力而不發(fā)生失效。該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種名為"Lattice Assembly"的新方法，通過使用3D打印技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜的多材料結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)這些材料的性能。

巴特爾能源聯(lián)盟核工程教授、麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系（DMSE）教授Ju Li表示：“我們始終迫切需要開發(fā)更適用于極端環(huán)境的材料。我們相信這種方法在未來對(duì)其他材料具有巨大的潛力�！�

△馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Jian Liu，以及麻省理工學(xué)院的Emre Tekoğlu和Alexander O'Brien（從左到右）

增強(qiáng)這些關(guān)鍵材料的性能

為了實(shí)現(xiàn)可改善航空航天和能源生產(chǎn)領(lǐng)域使用的關(guān)鍵材料的性能，他們選擇了一種被廣泛使用的金屬材料，即Inconel 718，這是一種耐高溫和腐蝕的“超級(jí)合金”。

在研究中，團(tuán)隊(duì)使用了一種創(chuàng)新的方法，利用陶瓷納米線對(duì)商用Inconel 718粉末進(jìn)行處理。通過將少量的陶瓷納米線與金屬粉末混合，并進(jìn)行研磨處理，納米陶瓷得以均勻地分布在Inconel顆粒表面上。這種納米陶瓷裝飾提供了額外的強(qiáng)化效果，使材料能夠更好地抵抗高溫和拉伸應(yīng)力的影響。

接下來，研究團(tuán)隊(duì)將經(jīng)過處理的粉末用于激光粉末床融合3D打印技術(shù)來制造零件。這個(gè)過程涉及逐層打印薄薄的粉末層，并使用激光將每一層的粉末熔化成所需的形狀。然后，另一層粉末被鋪在上面，重復(fù)這個(gè)過程，激光移動(dòng)以熔化新層并將其與下方的層粘合在一起。通過這種逐層堆積的方式，整個(gè)過程可以生產(chǎn)出復(fù)雜的3D零件。

這種激光粉末床融合技術(shù)具有高度靈活性，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的打印。它為制造具有特定性能要求的零件提供了新的可能性。通過在Inconel 718粉末中引入陶瓷納米線，研究團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)一步加強(qiáng)打印出的零件的性能和耐久性。

△該團(tuán)隊(duì)指出，這種原位沉淀形成的方法為增材制造中的高溫材料，提供了簡(jiǎn)單而有效的強(qiáng)化方式，這些材料可應(yīng)用于日益惡劣的能源和推進(jìn)環(huán)境中

研究人員發(fā)現(xiàn)，相比于僅使用Inconel 718制造的零件，使用這種新粉末制造的零件具有更低的孔隙率和裂紋。這意味著使用新粉末制造的零件具有更高的強(qiáng)度，并且具備許多其他優(yōu)勢(shì)。例如，這些零件具有更好的延展性（或拉伸性），以及更強(qiáng)的抗輻射和高溫載荷能力。

值得一提的是，這種新的制造過程本身并不昂貴，因?yàn)樗�可以適應(yīng)現(xiàn)有的3D打印機(jī)。只需使用新的粉末材料，就能獲得更好的性能。李教授指出，這使得采用這種新方法來強(qiáng)化材料變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和可行。

來自香港中文大學(xué)的助理教授徐松對(duì)這項(xiàng)研究進(jìn)行了評(píng)論。他指出，在這篇論文中，研究人員提出了一種新的方法，利用陶瓷納米線增強(qiáng)因科鎳合金718金屬基復(fù)合材料的打印技術(shù)。通過激光熔化過程中陶瓷的原位溶解，增強(qiáng)了Inconel 718的耐熱性和強(qiáng)度。此外，原位強(qiáng)化還能減小晶粒尺寸并消除缺陷。

△該論文已于4月5日在增材制造雜志上發(fā)表，題目為“通過原位形成納米碳化物和硅化物強(qiáng)化增材制造的Inconel 718”

一個(gè)巨大的探索空間

李教授指出，這項(xiàng)工作為合金設(shè)計(jì)開辟了新的空間。由于超薄3D打印金屬合金層的快速冷卻速度，與傳統(tǒng)的熔體凝固工藝制造的散裝部件相比，許多適用于散裝鑄造的化學(xué)成分規(guī)則似乎不適用于3D打印。因此，在添加陶瓷的基本金屬上，我們需要對(duì)成分進(jìn)行更廣泛的探索。

Emre Tekoğlu博士作為主要作者之一表示：“這些成果對(duì)于我們來說非常令人興奮，因?yàn)檫@些成分是我們選擇的第一批成分。我們還有廣闊的探索空間，將繼續(xù)研究新的Inconel復(fù)合材料配方，最終開發(fā)出能夠承受更極端環(huán)境的材料�！�

另一位主要作者Alexander O'Brien表示：“3D打印帶來的精度和可擴(kuò)展性為材料設(shè)計(jì)開辟了全新的可能性。我們的研究結(jié)果是一個(gè)令人興奮的早期階段，相信這一過程將對(duì)未來的核能、航空航天和能源生產(chǎn)等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。”

該團(tuán)隊(duì)表示，該方法還可以提高許多其它材料的性能。另外該項(xiàng)目得到了Eni SpA、國家科學(xué)基金會(huì)和ARPA-E的支持。