使用激光增材制造技術3D打印鎳單晶

NIMS和大阪大學工程研究生院通過用大半徑平頂激光束(即強度均勻的激光束在整個梁的橫截面)。該技術可用于制造多種單晶材料，包括用于噴氣發動機和燃氣輪機的耐熱材料。

以前的研究報告說，可以使用電子束增材制造制造單晶。然而，該技術需要昂貴的設備，并且由于需要產生真空，其操作成本也很高，從而限制了其廣泛使用。盡管可以使用更便宜的設備進行激光增材制造，但以前使用這種技術制造單晶的努力都失敗了。當用激光束照射金屬粉末原料時，它會熔化，形成固液界面。難以在界面附近沿相同方向生長晶粒并防止由它們的凝固引起的應變誘導缺陷的形成。

發現該問題歸因于傳統高斯激光束的強度分布(即，激光束在光束的橫截面上具有鐘形強度)，這導致形成由取向較小的晶粒組成的多晶許多晶界。

這個NIMS-大阪大學工程研究生院研究小組成功地使用平頂激光束制造了單晶，在鎳粉上形成了一個平坦的熔池表面。單個晶粒以相同的方向生長，具有較少的應變誘導缺陷。沒有晶界的單晶容易開裂，在高溫下非常堅固。這種新技術提供了一種方法，可以最大限度地減少晶體在凝固過程中的應變產生和裂紋。此外，該技術不需要使用晶種，從而簡化了增材制造工藝。

除了鎳，這種激光增材制造技術還可用于將其他金屬和合金加工成單晶物體。噴氣發動機和燃氣輪機部件的形狀越來越復雜，重量越來越輕，使用耐熱鎳基超合金對這些部件進行增材制造的需求也在增長。由于單晶在高溫下比多晶更堅固，因此它們作為耐熱材料的實際應用是有希望的。使用更便宜和廣泛使用的激光增材制造技術實現這一目標的全球研發工作預計將迅速加強。