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美国橡树岭开发出航天级耐热钼合金3D打印粉体!

近日,美国橡树岭国家实验室(ORNL)开发出一种被称为“MightyMo”(超强钼)的耐热钼合金配方,可配合电子束熔化(EBM)3D打印,这种合金能承受极端温度,甚至能够满足航空航天应用的苛刻要求。



据介绍,这种超强钼由钼和碳化钛(TiC)粉末混合组成,它克服了这类合金通常的脆性和易氧化性。经过(EMD)打印,该金属基复合材料就会产生致密,无裂纹的可承受极端温度的零件。ORNL的MikeKirka说:“我们的结果表明,用机械合金化的金属基复合材料粉末制造是可行的。”“由熔融粉末形成的结构可以承受高温,这表明钼及其合金可以用于航空航天和能量转换应用。”


作为一种难熔金属,钼具有多种特性,使其成为在超温度敏感区域内部署的极具吸引力的选择。该合金的特点是熔点升高至2622℃,并且热膨胀系数,导热性和耐腐蚀性较低,但在某些温度下其韧性也很差。另外,钼对加工过程中的氮和氧污染极为敏感,这会导致其晶界偏析,导致零件开裂。在该领域已经进行的有限研究中,科学家将金属与其他材料混合,试图更好地控制其重结晶和晶粒尺寸,但收效甚微。


早在2017年,奥地利粉末生产商PlanseeGroup的研究人员就设法使用模拟数据来量化钼的粒度如何对其SLM打印敏感性作出贡献,但并未彻底解决该问题。相比之下,ORNL团队现在发现,通过向合金中添加TiC颗粒并转换为EBM,可以制造出具有更高水平的坚固性和刚性的微结构。



为了配制材料,科学家将Mo和TiC粉末以60:40的比例混合在一个刻度量筒中,该量筒充满了氩气以防止氧化。然后,使用行星式球磨机将所得的金属基质复合材料机械合金化8小时,直到可以进行3D打印为止。为了处理他们的新粉末,ORNL团队开发了定制的ArcamS12EBM3D打印机,其特征是改进的构建腔,该构建腔由活塞,进料器,耙子和工作台粉末床输送系统组成。该机器的升级有效地优化了其小批量生产,同时实现了高级过程监控和辅助物料进料。


利用他们的机器,研究人员选择了3D打印六块尺寸为12毫米(D)x13毫米(H)的零件,它们具有类似三明治的结构,其中包含一层包裹在两层纯钼之间的强钼。有趣的是,SEM成像显示,纯样品均未出现任何开裂,但由于粉末散布,它们的确存在一些表面不一致性。后来,研究小组进行了热力学建模,这也表明该过程对成分和温度的变化仍然极为敏感。结果,ORNL的科学家推测,严格管理工艺输入将是使用钼制造未来微结构的关键,而不会导致加工过程中零件层的一致性或温度梯度发生变化。


最终,研究人员还得出结论,他们证明了3D打印纯无裂纹钼的可行性,并且通过完善的参数设置,该合金可以在航空航天或能量转换领域,例如传热组件等领域找到新的应用。


文章来源:网络


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