3D 打印可以有效地製造傳統上難以實現的精細結構（gòu）而不（bú）會產（chǎn）生浪費，例如鎳基高溫合金航空部件的中空幾何形狀。為了充分利用這種方法，我們必（bì）須轉向新的合金和工藝。
 
     常規高溫合（hé）金製造
     超級合金（jīn）是一種（zhǒng）基於（yú）鎳、鈷或鐵的金屬混合物家族，可抵（dǐ）抗（kàng）高溫變形、腐蝕和氧化，尤其是在接近其熔點的（de）高溫下（xià）運行時。它們最初是為渦輪噴（pēn）氣發動機中的燃氣輪機部件開（kāi）發的，現在廣泛（fàn）用於航空航天和發電行業的高（gāo）溫（wēn）應用。為了實現這些高溫特性（機（jī）械和化學），微觀結構控製是（shì）至關重要的，具體的合金（jīn）元（yuán）素添加和精心的製造工（gōng）藝相結合才能實現。
 
     鎳基（jī）高溫合金是最早和發展（zhǎn）最好的（de）高溫合（hé）金係列，它依賴於由（yóu）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（chū）物（wù）（L12 晶體學）的分（fèn）散體——生長在富含鉻（gè）的鎳基質中。也可以添加其他合（hé）金元素，例如耐火材料（Re、Mo、W）或準金屬（B、C）。根（gēn）據它們的化（huà）學性質，這些合金是人類設計的最複雜的（de）合金。在傳統加工過程中，這種關鍵（jiàn）的沉澱是在 1000–750 °C 溫度範圍內冷卻期間（jiān）通過擴散控（kòng）製反應發生的。
 
     製造傳統上是高溫合（hé）金應用的“阿喀琉斯之踵”——如果沒有通過加工鑄件（jiàn）的冗長且昂（áng）貴的減材製造（zào），就無法實現結構合理（lǐ）的機械性（xìng）能。今天，我（wǒ）們仍然（rán）使用可追溯到古典時代的精密熔模鑄造工藝。例如，要生（shēng）產噴（pēn）氣發動機渦輪葉片，需要冷卻通道的蠟模型和基於二氧化矽的複（fù）製品，以便為生產的每個部件創建陶瓷模具，在真空下（xià）將千克（kè）熔融金屬澆鑄到其中。冷卻到環境條件需要幾個小（xiǎo）時，冷卻過（guò）程中不可能抑製（zhì）γ'析出物的析出；此外，需要在約 1300 °C 的溫度下進行數小時的非常仔細的後續熱（rè）處（chù）理 - 剛好低於熔化（huà）溫度 - 以減少鑄（zhù）造過程中（zhōng）的化學枝晶偏析。最後，需要（yào）機加工來塑造最終複雜的渦輪（lún）葉片幾何形狀（zhuàng）。熔模鑄（zhù）造工藝（yì）涉及多（duō）種化學和工藝控製（zhì），在鑄（zhù）造（zào）和渦輪零件的後續加工過程中會產生（shēng）大量廢料/碎屑：隻有約 10% 的高溫合金最終成為成品（pǐn）2。
 
      3D 打印作為高溫（wēn）合金的（de）新加工途徑
      使用 3D 打印或增材製造 (AM) 代替熔模鑄造可以實現完全不同的加工，減少製造步驟並最大限度地減（jiǎn）少加工浪費。在計算（suàn）機輔助（zhù）設計 (CAD) 係統的直接輸入下，基於激光對直徑幾十（shí）微米的（de）固體粉末進行逐層熔化和固結（jié），賦予了迄（qì）今為止尚未開發的設計自由：中空結構、泡沫狀或（huò）基於晶格的結構，以添（tiān）加（jiā）劑而不是減法（fǎ）方式更有效地使用材料。此外，增（zēng）材（cái）製造工藝在微米（mǐ）長度和時間尺度上熔化和再熔化（huà）細粉，導致 103–106 °C/s 的高冷卻速率和對加工的非常不（bú）同的冶金響應3。凝固產生非常細的（de）蜂窩狀而不是樹枝（zhī）狀微觀結構4，這實際上消除了傳統加（jiā）工中發現的樹枝狀（zhuàng）偏析，消除了對化（huà）學均（jun1）質化步驟（zhòu）的需要。 γ'的析出（chū）也（yě）受到劇烈冷卻速率的抑製，允許在隨後（hòu）的熱處理（lǐ）過程中調整納米級析出（chū）以提高性能5。可以通過設計新的熱處理（lǐ）方（fāng）案來（lái）優化沉澱相，以（yǐ）獲得與 AM 高溫合（hé）金高強度相關的理（lǐ）想微觀結（jié）構 6。
     然而，增材製（zhì）造在用於複雜空心結構（如噴氣渦輪葉片）的高溫（wēn）合金（jīn）中的廣泛應用仍然並不（bú）簡單。為了在（zài）高溫合金中成（chéng）功利用增材製造技術，我們需要更（gèng）好地了解工藝科學；它的許多方麵是（shì）模糊的，因為 AM 的基本原（yuán）理涉及跨長度和時間尺度的多種物理和化學現象（見圖 1）。例如，當激光與金屬粉末接（jiē）觸時，所有可（kě）能的四種物（wù）質狀態（固體、液體（tǐ）、氣體蒸（zhēng）汽和等離子體）都會相互作用 7，而且很少存在基於物理的模型來解決這（zhè）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，從而導致亞穩態的化學、結（jié）構（gòu）和機械（xiè）狀態，從而引發冶金缺陷 8，從而危及性能 9。
      最後，大（dà）多數傳（chuán）統的高溫合（hé）金不能輕易地從熔模（mó）鑄造轉移到 3D 打印，因為它們已經針對特定的加工路線進行了優化，例如。鍛造、焊接（jiē）和鑄造。由於（yú）增材製造（zào）工藝的快速和重複熱循（xún）環，可以通過計算組合工（gōng）藝數據驅動的方法設計利用這些工藝（yì）參數的新組合物，以針對（duì）增材製造（zào）冷卻速率定製微觀結構和性能3。因此，針對 3D 打印優化（huà）並旨在減輕關鍵高溫部件中的冶金缺陷（例如孔隙率和開裂 10）的新型超級合金是成功商業采用的關鍵。
   
     金屬 3D 打印的材料和製造設計（jì）
     我（wǒ）們設想精（jīng）心製定的計算機輔助設計模型以及基（jī）於模型的設計合（hé）金和優化的（實際上是空間變化的）3D 打（dǎ）印策略，以實現高附（fù）加（jiā）值組件11。可以想象，如果所需的（de） 3D 打印（yìn）基礎設施是分布式的（而不是集中式的）並且輸入材料（liào）可用，那麽這些將在（zài）本地打印。
     挑戰既是科（kē）學（xué）的，也是技術（shù）的；圖（tú） 2 中突出顯示了一些關鍵的問（wèn）題。這些（xiē）問題最好使用數據驅（qū）動的方（fāng）法來解決，以解決（jué）從金屬粉（fěn）末特性到打印策略的大自由度的（de）複雜加（jiā）工參數，這（zhè）尊重數（shù）據（jù）科學、物理學方麵取得的（de）進步。基於建模、流程建模和人工智能12。 AM 的更（gèng）多技術方麵（例如起始粉末和加工（gōng）策略）對於（yú）減少缺陷 13 和（hé）質量保（bǎo）證方麵（miàn）的組件一致（zhì）性至關重（chóng）要。雖然不（bú）太基本，但商業上實施（shī） AM 工（gōng）藝將需要多（duō）尺度工藝建模、改進的原位監測 14 和製造後處（chù）理，並采用綜（zōng）合工業標準，特別是因為這些合（hé）金設計用於關鍵任務應用航空和航天部門。
     考慮到所有這些（xiē），超級合金 AM 的材料設計方法需要使用從粉末加工（gōng）到熔化和印刷策略再（zài）到後熱處理的數據——所有這些都是為了有意識地設（shè）計（jì）成分和加工路線以實（shí）現最小的缺陷，最小的浪費（fèi），以及理想的微觀結構-性能關係（xì）。這種製造方法將允許（xǔ）采用更周到、更有效的方法來設計高性（xìng）能結構金屬部件，同時尊重環境需（xū）求並（bìng）促進可（kě）持續（xù）性。
圖 1 粉末床融合 AM 中多尺度、多物理（lǐ）現象的（de）示意圖。 AM期間發生的不同物（wù）理（lǐ）效應和相關物理包括氣體膨脹引起的粉末粒（lì）子動力學、與激光相互作用時捕獲固（gù）-液-汽轉變的熱流體（tǐ）動力學、固（gù）態轉變，例如重（chóng）熔和固（gù）有熱處理後的沉澱（diàn），以（yǐ）及隨後的（de）固體力（lì）學 處理開裂（liè）等（děng）損（sǔn）傷機製。

圖 2 數字化設（shè）計的金屬 3D 打印的科學和技術挑（tiāo）戰，after7,13-15。 對加工科學的基本理（lǐ）解包括（kuò）粉末流動性和粉（fěn）末形狀分布、與熱源的相互作用、形成的分層（céng）微觀結構、減少缺陷和更好地量化冶（yě）金特（tè）征。 技術方麵的挑戰包括工藝參數優化、實（shí）時監控、資格標準（zhǔn）的建立、高通量測試（shì）和放大（dà）組件的製造。 AM 高溫合金的設計必須在可製（zhì）造性（xìng）、機械（xiè）完整性、穩定性和成本之（zhī）間取得平（píng）衡。