3D 打印可以有效地製造傳統上難以實現的精（jīng）細結構而（ér）不會（huì）產生浪費，例（lì）如鎳基高溫合金航空部件的中空（kōng）幾何形狀（zhuàng）。為了充分利用這種方法，我們必須轉向新的合金（jīn）和工藝（yì）。
 
     常規高溫合金製造
     超級合金是一種基於鎳、鈷或（huò）鐵的金屬混合物家族，可抵抗高溫變形、腐蝕和氧化，尤其（qí）是（shì）在接近其熔點（diǎn）的高溫下運行（háng）時。它們最（zuì）初是為渦輪噴氣發動機中的燃氣（qì）輪機部件開發的，現在廣泛用於航空航天和發電行業的高溫應用。為了實現這些高溫（wēn）特性（機械和化學），微觀結（jié）構控製（zhì）是至關重（chóng）要的，具體的合金元素添加和精心的製造工藝相（xiàng）結合才能實現。
 
     鎳基高溫合金是最（zuì）早（zǎo）和發展最好的高溫（wēn）合金係列，它依賴於由強化相（xiàng）組成的兩相微觀結構——稱為 γ' 的 (Ni,Co)3(Al,Ti,Ta) 析出物（L12 晶體學）的分散體——生長在富含鉻的鎳基質中。也可以添加其（qí）他（tā）合金元素，例如耐（nài）火材料（Re、Mo、W）或準金屬（B、C）。根據它們的化（huà）學性質，這些合金是人類設計的最複雜的合金。在傳統加（jiā）工過程中（zhōng），這種（zhǒng）關鍵的沉澱是在 1000–750 °C 溫度（dù）範圍內冷卻期間通過擴散控製反應發生的。
 
     製造傳統上是高溫合金應用的“阿喀琉斯（sī）之踵”——如果沒有通（tōng）過加工鑄件（jiàn）的冗長且昂貴的減材製（zhì）造，就無法實現結構合理的機械性能。今天，我們仍然使用可追溯到古典時代的精密熔模鑄造工藝（yì）。例如，要生（shēng）產噴氣發動機渦輪（lún）葉（yè）片，需要冷卻通道的蠟模型和基（jī）於二氧化矽的複製品，以便為生（shēng）產的每個部件創建陶瓷模具，在真空下將千克熔融金屬澆鑄到其中。冷卻到環境條件需要幾個小時，冷卻過程中不可能（néng）抑製γ'析出物的析（xī）出；此外，需（xū）要在約 1300 °C 的溫度下進行數小（xiǎo）時的非常（cháng）仔細的後續熱處理 - 剛好低於熔化（huà）溫度 - 以減少鑄造（zào）過程中的化學枝晶偏（piān）析。最後，需要機（jī）加工來（lái）塑造最終複雜的（de）渦輪（lún）葉片幾何形狀。熔模鑄造工（gōng）藝涉及多種化學和工藝控製，在鑄造（zào）和渦輪零件的後續加工過程中會產生大量廢料/碎（suì）屑：隻有約 10% 的高溫合金最終成為成品2。
 
      3D 打印作為高溫合金的（de）新加工途徑
      使用（yòng） 3D 打印或增材製造 (AM) 代替熔模鑄造可以（yǐ）實現完全不同的加工（gōng），減少（shǎo）製造步（bù）驟（zhòu）並最大限度地減少（shǎo）加工浪費。在計算機輔（fǔ）助設計 (CAD) 係統的直接輸入下，基於激光對直徑幾十微米的固體粉末進行逐層熔化和固結，賦予了迄今為止尚未開發（fā）的設計自由：中空結構（gòu）、泡沫狀或基於（yú）晶格的結構，以添加（jiā）劑而不是減法方式更有效地使用材料。此（cǐ）外，增材製造工藝在微米長度和時間尺度上熔化和再熔化細粉，導致 103–106 °C/s 的高冷卻速率和對加工的非常不同的冶金響應3。凝固產生非常細的蜂窩狀而不是（shì）樹（shù）枝（zhī）狀微（wēi）觀結構4，這實際上消除了傳統加（jiā）工中發（fā）現（xiàn）的樹枝狀偏析，消除了對化學均質化步驟的需要。 γ'的析出也受到（dào）劇（jù）烈（liè）冷卻速率的抑（yì）製，允許（xǔ）在隨（suí）後的熱處理過程中調整納米級析出以提高性能5。可以通過設計新的（de）熱（rè）處理方（fāng）案來優化沉澱相，以獲得與 AM 高溫合金高強度相關的（de）理想微觀結構 6。
     然而，增材製造在用於複雜空心結構（如噴氣渦輪葉片）的高溫合（hé）金中的廣泛應用仍然並不簡單。為了在高溫合（hé）金（jīn）中成（chéng）功利用增材製造技術，我們需要更好地了解工藝科學；它的（de）許多方麵是模糊的，因為 AM 的基本原理涉及跨長度和時間尺度的多種（zhǒng）物理（lǐ）和化學現象（見圖 1）。例如，當激光與金屬粉末接觸時，所有可能的四種物質狀態（固體、液體、氣體蒸汽和（hé）等離子體）都會相互作用（yòng） 7，而且很少存在基於物理的模型來解決這種複雜性。此外，快速和重複的熱循環的性質會導致強烈的熱梯度，從而（ér）導致亞穩態的化學、結構和機（jī）械狀態，從而引發冶金（jīn）缺陷 8，從而危及性（xìng）能 9。
      最後，大多數傳統的高溫合金不能輕易地（dì）從熔模鑄造轉移到 3D 打（dǎ）印，因為它們已經針對特定的加工路線進行了優化，例（lì）如。鍛造、焊接和鑄造。由於增材製造工（gōng）藝的快速和重複熱循環，可以通過計算組合工（gōng）藝（yì）數據驅動的方法設計利用這些工藝參數的新組（zǔ）合物，以針對增材製造冷卻速率定製微觀結構和性能3。因此（cǐ），針對 3D 打（dǎ）印（yìn）優化並旨在減輕關鍵高溫部件中（zhōng）的冶金缺陷（例如孔隙率和（hé）開（kāi）裂 10）的新型超級合金是成功商業采用（yòng）的（de）關鍵。
   
     金屬 3D 打印的材料和製造設計
     我們設想（xiǎng）精心製定的計算機輔助設計模型以及基於模型的設計合金和（hé）優化的（實際上是空間變化的）3D 打印策略，以實現高附加值組件11。可以想象（xiàng），如果所（suǒ）需的 3D 打印基礎設施是分布式的（而不是集（jí）中式的）並且輸入材料可用，那麽這些將在本地打印。
     挑戰既是（shì）科學（xué）的，也是技術的；圖 2 中突出顯示了一些關鍵的問題。這（zhè）些問題（tí）最好使用數據驅動的方法來解決，以解決從金屬粉末特性到打印策略的大自由（yóu）度的複雜加工參數，這尊重數據科學、物理學方麵取得的進步。基於建模（mó）、流程建模和人工智能12。 AM 的更多技術方麵（例如（rú）起（qǐ）始粉末和加工策略）對於減少缺陷 13 和質量保證方麵的組件一致性至關重要。雖然不太基本，但商業上（shàng）實施 AM 工藝將需要（yào）多尺度工藝建模、改進的原位監測 14 和製造後處理，並采（cǎi）用綜合工業標準（zhǔn），特別是因為（wéi）這些合金設計用於關鍵任務應用航空和航天部門（mén）。
     考慮到所有這些，超級（jí）合金 AM 的材（cái）料設（shè）計方法需要使用從粉末加（jiā）工到熔化和印刷策略再（zài）到後（hòu）熱處理的數據——所有這些都是（shì）為了（le）有意識（shí）地（dì）設計成分（fèn）和加工路線以（yǐ）實現最小的缺陷，最小的浪費，以及理想的微（wēi）觀（guān）結構-性（xìng）能關係。這種製造方法將允許采用更周到、更有效的方法來設計高性能結構金屬（shǔ）部（bù）件（jiàn），同時（shí）尊重環境需求並促進（jìn）可持續（xù）性。
圖 1 粉末（mò）床融合 AM 中（zhōng）多（duō）尺度、多物理現象（xiàng）的示（shì）意圖。 AM期間發生的不同物理效應和相關物理包括氣體膨脹引起的粉（fěn）末粒子動力（lì）學、與激光相互（hù）作用時捕（bǔ）獲固-液-汽轉變的熱流體動力學、固態轉變，例如重熔和固有熱（rè）處理後的沉澱，以及隨（suí）後的固體力學 處理開裂等損傷機製。

圖 2 數字化設計的金屬 3D 打印的科學和技術挑戰，after7,13-15。 對加工科學的基本理（lǐ）解包括粉末流動性（xìng）和粉末形狀分（fèn）布、與熱源的相互作用、形成的分層微觀結構、減少缺陷和更好地量化冶金特征。 技術方麵的挑戰包括工藝（yì）參數優化、實時（shí）監控、資格標準的建立、高通量測試和（hé）放大組件的製造（zào）。 AM 高溫合金的設計必須在可製造性、機械完（wán）整性、穩定性和成本之間取得平衡。