ORNL科学家开发出适用于EBM的耐热“ Mighty MO”3D打印材料

摘要：近日，橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家开发了一种新的钼（Mo）配方，专门针对与电子束熔化（EBM）3D打印机配合使用而进行了优化……

aau讯（编辑 Sunshine）据外媒报道，橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家开发了一种新的钼（Mo）配方，专门针对与电子束熔化（EBM）3D打印机配合使用而进行了优化。

通过将钼与碳化钛（TiC）粉末混合，ORNL团队已经能够创造出一种“Mighty Mo”材料，该材料克服了合金通常存在的脆性和氧反应性等问题。一旦进行了EBM 3D打印，该金属基复合材料就会产生致密、无裂纹的零件，这些零件能够承受极端温度，从而使其可能成为要求苛刻的航空航天应用的理想选择。

ORNL的Mike Kirka说：“我们的研究结果表明，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。”

ORNL小组3D打印的“ Mighty Mo”材料的SEM图像。图片来自ORNL。

钼的研究

作为一种难熔金属，钼具有多种特性，这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、导热系数和耐腐蚀性较低，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，这会使其晶界偏析，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Plansee Group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打印作出敏感性反应，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颗粒并使用EBM进行加工，可以制造出具有更高水平的坚固性和刚性的微结构。

ORNL团队使用定制的Arcam 3D打印机（如图）进行研究。图片来自《能源应用增材制造》杂志。

ORNL的“ Mighty Mo”材料

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Arcam S12 EBM 3D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）x 13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，零件表面存在不一致性。

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微结构的关键，且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应用，例如传热组件。

钼基3D打印

尽管3D打印纯无裂纹的钼仍然具有挑战性，但许多材料制造商已设法将合金与其他金属混合，以生产出可加工的产品。例如，Farsoon的客户Hiwing Titanium Industrial最近开发了耐热的掺入Mo的“TA32”3D打印材料。

这种金属能够承受高达550℃的工作温度，旨在替代钢或镍基超级合金。同样，新加坡科学家此前通过将其与二硼化钛纳米粒子混合，设法改善了Mo负载Inconel 625合金的可打印性。

在其他地方，3D打印机OEM Meltio透露，它也在验证钼是否可与最新版本的专有Meltio Engine一起使用。在成功测试了不锈钢、Inconel（718和625）和Ti-6Al-4V（5和23级）之后，该公司现在正在验证铜、铝、钨、X9和金等。

关于“ Mighty Mo”材料的特性，研究人员在题为“通过电子束粉末床熔合法制造纯Mo和Mo + TiC MMC合金”中进行了详细介绍。 这项研究是由Christopher Rock、Edgar Lara-Curzio、Betsy Ellis、Christopher Ledford、Donovan N. Leonard、Rangasayee Kannan、Michael Kirka和Timothy Horn共同撰写的。

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