使用激光增材制造技术3D打印镍单晶

NIMS和大阪大学工程研究生院通过用大半径平顶激光束(即强度均匀的激光束在整个梁的横截面)。该技术可用于制造多种单晶材料，包括用于喷气发动机和燃气轮机的耐热材料。

以前的研究报告说，可以使用电子束增材制造制造单晶。然而，该技术需要昂贵的设备，并且由于需要产生真空，其操作成本也很高，从而限制了其广泛使用。尽管可以使用更便宜的设备进行激光增材制造，但以前使用这种技术制造单晶的努力都失败了。当用激光束照射金属粉末原料时，它会熔化，形成固液界面。难以在界面附近沿相同方向生长晶粒并防止由它们的凝固引起的应变诱导缺陷的形成。

发现该问题归因于传统高斯激光束的强度分布(即，激光束在光束的横截面上具有钟形强度)，这导致形成由取向较小的晶粒组成的多晶许多晶界。

这个NIMS-大阪大学工程研究生院研究小组成功地使用平顶激光束制造了单晶，在镍粉上形成了一个平坦的熔池表面。单个晶粒以相同的方向生长，具有较少的应变诱导缺陷。没有晶界的单晶容易开裂，在高温下非常坚固。这种新技术提供了一种方法，可以最大限度地减少晶体在凝固过程中的应变产生和裂纹。此外，该技术不需要使用晶种，从而简化了增材制造工艺。

除了镍，这种激光增材制造技术还可用于将其他金属和合金加工成单晶物体。喷气发动机和燃气轮机部件的形状越来越复杂，重量越来越轻，使用耐热镍基超合金对这些部件进行增材制造的需求也在增长。由于单晶在高温下比多晶更坚固，因此它们作为耐热材料的实际应用是有希望的。使用更便宜和广泛使用的激光增材制造技术实现这一目标的全球研发工作预计将迅速加强。