日本国立材料所NIMS丨金属3D打印镍单晶，加速航空发动机发展
利用平顶激光束选区激光熔化增材制造纯镍单晶体
该团队的相关研究结果已经发表在 Additive Manufacturing Letters 杂志上，题目为“Manufacturing single crystals of pure nickel via selective laser melting with a flat-top laser beam”，中文：平顶激光束选区激光熔化增材制造纯镍单晶体
Graphical abstract
https://doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100066
2017年西门子完成全球首个3D打印涡轮叶片试验，随着该技术的高速发展，航空迫切需求耐高温发动机部件解决方案
技术难题
根据之前的研究进展，人们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，并且由于需要真空操作，这种工艺操作成本也很高，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3D打印，但以前使用这种技术制造单晶，都已失败告终。(a), (e), (i)显示了垂直于BD的截面上的IPF图，相应的纹理分别显示在(c), (g), (k)。(b), (f), (i)显示了横跨BD的截面上的IPF图，相应的纹理分别显示在(d, h, l)。所有的IPF都是沿BD轴设置的
不同位置的IPF图和纹理
新技术
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。
分析激光照射的板材组织明确激光形成的熔池形状与组织形成的差异
晶体取向分布差异
该研究团队使用SLM Solutions制造的商用SLM 280 3D打印机，成功地使用平顶激光束制造了单晶，在镍粉上形成了平坦的熔池表面。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，并且在高温下非常坚固。
从左到右：激光束照射在粉末床上，产生的圆柱形单晶物体。（右）可以应用平顶激光束形成以相同取向排列的晶体，而应用传统的高斯激光束会导致晶粒取向较小
未来发展
这种新技术可以最大限度地减少，晶体在凝固过程中的应变产生和开裂。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。
随着对高温部件（如喷气发动机）使用的增加，对通过3D打印开发镍基高温合金部件的需求也在增加。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很有发展前景。最后，使用更便宜和可以广泛使用的3D打印技术，与其他金属和合金一起使用，加速耐热喷气发动机部件的开发，以创建一系列非常适合航空航天和发电应用的单晶体。
来源：增材制造硕博联盟
