用陶瓷納米纖維強(qiáng)化Inconel 718！MIT開發(fā)出增材制造用新型高性能高溫合金粉末

2023年6月4日，南極熊獲悉，來自麻省理工學(xué)院的工程師團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡單、廉價(jià)的方法來制備陶瓷納米纖維強(qiáng)化 Inconel 718材料，以用于金屬 PBF 增材制造工藝。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的這種采用陶瓷納米線強(qiáng)化3D打印金屬粉末的方法同樣可用于改進(jìn)許多其他材料。航空航天和能源生產(chǎn)領(lǐng)域許多重要應(yīng)用的關(guān)鍵材料必須能夠承受高溫和拉伸應(yīng)力等極端條件而不會(huì)失效，所以，MIT開發(fā)的這種新型強(qiáng)化高溫合金在航空航天等高要求領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

Battelle 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 說：“開發(fā)更適合極端環(huán)境的材料始終是我們的迫切需要，我們相信這種方法在未來對其他材料具有巨大的潛力�！�

這項(xiàng)研究在以題為“Strengthening additivelymanufactured Inconel 718 through in-situ formation of nanocarbides andsilicides”的論文被發(fā)表在4 月 5 日的《Additive Manufacturing》期刊上，同樣隸屬于材料研究實(shí)驗(yàn)室(MRL) 的Li是該篇論文的三位通訊作者之一，另外兩位通訊作者是馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校的陳文教授和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的A. John Hart教授。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221486042300091X?via%3Dihub=

△論文圖片概摘要

該篇論文的共同第一作者是麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系 (NSE) 的博士后 Emre Tekoğlu 和 Alexander O'Brien；NSE 研究生 AlexanderD. O'Brien；和麻省大學(xué)阿默斯特分校的劉健。其他作者是 Baoming Wang，麻省理工學(xué)院 DMSE 博士后；伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的 Sina Kavak；MRL研究專家張勇；DMSE 研究生So Yeon Kim；NSE研究生王詩彤；和伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的 Duygu Agaogullari。這項(xiàng)研究得到了 Eni SpA 通過麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃、國家科學(xué)基金會(huì)和 ARPA-E 的支持。

△研究論文的共同第一作者是（從左到右）：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。

更好的性能

研究團(tuán)隊(duì)的方法以 Inconel 718材料為基礎(chǔ)，這是一種流行的“高溫合金”，用于增材制造中需要承受極端條件（例如 700 攝氏度，約 1,300 華氏度））等極端條件的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)寫道，他們用少量陶瓷納米纖維研磨商用 Inconel 718 粉末，導(dǎo)致納米陶瓷在 Inconel 顆粒表面均勻包覆。

然后將所得粉末用于通過激光粉末床熔合制造零件。研究人員發(fā)現(xiàn)，與僅使用 Inconel718 制成的零件相比，使用這種新粉末制成的零件的孔隙率和裂紋明顯減少。而這反過來又會(huì)導(dǎo)致零件的強(qiáng)度大大提高，這些零件還具有許多其他優(yōu)勢。例如，它們更具延展性，或可拉伸性，并且具有更好的抗輻射和高溫載荷能力。

Li說：“此外，這一強(qiáng)化過程本身的成本并不高，并且適用于現(xiàn)有的 3D 打印機(jī)。只需使用我們的粉末，您就會(huì)獲得更好的性能。”

未參與這項(xiàng)工作的香港中文大學(xué)助理教授徐松評論道：“在這篇論文中，作者提出了一種打印由陶瓷納米纖維增強(qiáng)的鎳基合金 718 金屬基復(fù)合材料的新方法。激光熔化過程引起的陶瓷原位溶解增強(qiáng)了 Inconel718 的耐熱性和強(qiáng)度。此外，原位強(qiáng)化減小了晶粒尺寸并消除了缺陷。未來金屬合金的 3D 打印，包括高反射率銅的改性和高溫合金的斷裂抑制，都可以從這項(xiàng)技術(shù)中明顯受益�！�

△麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡單、廉價(jià)的方法來制備航空航天和核能發(fā)電應(yīng)用的關(guān)鍵強(qiáng)化材料。這張照片中打印基板上的“海貍“造型和其他形狀是使用新技術(shù)創(chuàng)建的。照片來源：亞歷山大·奧布萊恩

巨大的新空間

Li教授說：“這項(xiàng)工作可以為合金設(shè)計(jì)開辟一個(gè)巨大的新空間，因?yàn)槌��?3D 打印金屬合金層的冷卻速度比使用傳統(tǒng)熔體凝固工藝制造的散裝部件的冷卻速度快得多。因此，許多適用于鑄造的化學(xué)成分規(guī)則似乎不適用于這種 3D 打印。因此，我們有更大的成分空間來探索添加陶瓷的基本金屬。”

研究論文的主要作者之一 Emre Tekoğlu 補(bǔ)充說：“這種成分是我們設(shè)計(jì)的首批成分之一，因此在現(xiàn)實(shí)生活中獲得這些結(jié)果非常令人興奮。還有廣闊的探索空間。我們將繼續(xù)探索新的 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 總結(jié)道：“3D 打印帶來的精度和可擴(kuò)展性為材料設(shè)計(jì)開辟了新的可能性世界。我們在這里的結(jié)果是一個(gè)令人興奮的早期步驟，這個(gè)過程肯定會(huì)對未來的核能、航空航天和所有能源生產(chǎn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響�！�