金屬3D打印技術(shù)（又稱增材制造）可高效制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)且減少損耗，對(duì)于高溫合金而言很有吸引力，尤其是應(yīng)用于多孔或中空的航空航天部件。5月11日，Roger Reed院士團(tuán)隊(duì)受邀在頂級(jí)期刊《Nature Communications》上以題為“Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys”發(fā)表評(píng)論文章，回顧高溫合金的歷史，討論3D打印對(duì)高溫合金的挑戰(zhàn)，并對(duì)該方向今后的發(fā)展進(jìn)行展望。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-16188-7

高溫合金，又稱為超合金，廣泛應(yīng)用于航天航空和能源領(lǐng)域的核心部件中。其設(shè)計(jì)通常由鎳/鈷/鐵為基體，添加多種元素進(jìn)行強(qiáng)化，使其具有優(yōu)異的高溫性能，以及組織穩(wěn)定性，可以在極端工作條件下長(zhǎng)時(shí)間服役。不過(guò)，高溫合金的制造工藝窗口很窄，通常在冗長(zhǎng)且高昂的繁復(fù)工序后，再通過(guò)機(jī)加工才能得到最終的部件。

金屬3D打印技術(shù)則可以減少耗材，并且省去大量模具，通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)（近）凈成形部件。然而，此間挑戰(zhàn)重重。一般的金屬材料采用3D打印技術(shù)后，例如激光選區(qū)熔化（SLM），其機(jī)械性能會(huì)出現(xiàn)不同程度的損失，這主要源于各類缺陷的形成，例如微裂紋，氣泡等。這對(duì)高溫合金而言極為重要，因?yàn)榉鄄考氖Х绞酵ǔ槿渥兓蚱跀嗔?，而這些性能又對(duì)缺陷十分敏感，所以有必要從根本上抑制這些缺陷的產(chǎn)生。

圖一：粉床熔融增材制造的多尺度多物理示意圖

主要的挑戰(zhàn)可分為科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題兩方面。由于3D打印本身是多物理問(wèn)題，且跨越不同時(shí)間與空間尺度。例如，熱源在粉床的移動(dòng)過(guò)程中，固、液、氣、等離子體四種物質(zhì)形態(tài)可同時(shí)相互作用。目前極少有物理模型涵蓋此等復(fù)雜性。與此同時(shí)，工藝上也有諸多挑戰(zhàn)仍待解決，下圖總結(jié)了主要的幾點(diǎn)，例如高效的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)損檢測(cè)，高通量測(cè)試等。

圖二：金屬增材制造中主要的科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)問(wèn)題

面對(duì)增材制造中極高速率的熱循環(huán)與重熔，現(xiàn)有的高溫合金很難適應(yīng)，這畢竟與傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)理念截然不同。因此，想要有效利用金屬3D打印技術(shù)的便利，設(shè)計(jì)新型的可適用于增材制造的合金成分是不可或缺的。同時(shí)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法有望在物理、工藝模擬等方面提供更好的解決方案。全面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施也可以為行業(yè)注入動(dòng)力。