谷研究 l 通过 EBM 3D打印技术制备单晶高温合金CMSX_4

| 3DScienceValley · 2018/07/18

CMSX_4是单晶高温合金的一种，在单晶合金方面，目前全球应用范围最广（引擎工作总时数达 1.75 亿小时），被用于航空、工业和航海涡轮机领域。根据3D科学谷的市场研究，目前，通过3D打印来制备CMSX_4材料正在获得一系列的进展。

更均匀的微观结构

具体来说，CMSX-4是第二代单晶高温合金，这类单晶合金的加工通常采用定向凝固的熔模铸造来获得。通常，这类合金在凝固过程中表现出强烈的偏析，导致明显的树枝状微观结构。因此，为了改善高温性能，研究人员已经进行了大量的铸造工艺改进以及通过连续的热处理以使微观结构均匀化。

通常，单晶组分从叠加在冷却的铜冷却板上的起始块上进化，该冷却板与螺旋晶粒选择器组合发生作用。这其中，冷却板的作用是产生大量的晶核。

3D打印-增材制造技术（AM）作为一种颠覆性的技术，在医药，能源生产或航空航天应用领域的工业生产中越来越成熟。当然我们目前聚焦的金属3D打印主要是关注其在制造复杂的几何形状，轻量化，缩短交货时间，功能性一体化结构实现等方面的优势。而金属3D打印工艺的一个容易被忽略的潜力是通过快速定向凝固带来非常精细的晶体微结构并控制逐层外延生长。这为设计组件提供了新的可能性，此外，高冷却速度为合金设计开辟了新的可能性。而实验证明，通过金属3D打印实现凝固微观结构和相关的偏析结构可以带来非常精细的结果，与铸造微观结构相比要小100倍。因此，均质化热处理时间也显著的从几小时减少到几分钟。

直接从粉末床获得单晶结构

众所周知，具有高γ’相体积分数的超合金如CM247LC，IN738LC或CMSX-4®容易形成裂缝，因此，这些合金难以焊接或甚至不可焊接。所以这些合金的加工相当具有挑战性。最近的参考文献显示（请登录en.51shape.com访问英文原文），通过选择性电子束熔化金属3D打印技术可以实现CMSX-4®的无裂缝加工。通过采用合适的加工策略，可以直接从粉末床中获得单晶结构。

该文献研究了选择性电子束熔化金属3D打印技术制备CMSX-4®单晶的机械性能。单晶在竣工状态下和热处理后进行测试，包括均质化和两步老化。并且还将测试结果与传统铸造和热处理材料的结果进行了比较。

CMSX-4®所采用的粉末是由TLS Technik GmbH＆Co的气体雾化技术制备的，粉末为球形，尺寸分布为45至105μm。通过应用激光衍射分析（Malvern Mastersizer 3000）以确定粉末尺寸分布特征：D10 =44.8μm，D50 =70.7μm，D90 =102.0μm。原料和所得粉末的化学组成如表I所示。