天游线路检测中心 电子束金属3D打印机带来材料发展的革命
- 摆脱数千年的遗产

采访 10

东北大学材料研究所
机械加工工艺工程研究部
千叶明彦教授

电子束金属3D打印机带来材料发展的革命

使用 3D 打印机制造金属零件的增材制造技术。它有望彻底改变需要强度和可靠性的飞机和火箭部件。我们向日本金属增材制造技术的领军人物、东北大学金属研究所的千叶明彦教授询问了其可能性。

新金属加工工艺的诞生

人类可能会实现另一个巨大的发展。不过，我不是在谈论 AI（人工智能）。它是指金属增材制造技术。

增材制造是指所谓的 3D 打印机。它诞生于 20 世纪 80 年代末，先于塑料，但在 2000 年代也出现了可以使用金属进行增材制造的设备。

“当我用电子显微镜观察时，我看到形成了美丽的单晶。我对此非常感兴趣，认为这可以称为一种新的金属加工工艺。”

教授回忆起他第一次看到使用电子束的增材制造。最初，3D打印机被认为是一种适合轻松创建原型的加工方法。不过，晶体排列整齐也意味着它有足够的强度。如果真是这样，增材制造不就算是一种以生产成品为前提的金属加工技术了吗？

这位教授是金属材料开发领域的顶尖专家。他一直致力于通过“精炼”金属结构和消除元素不均匀性来提高金属强度的研究。我们还在继续寻找适合人工关节和植入物的金属材料。

``我们混合金属元素，熔化它们，硬化它们，热处理它们，然后锻造它们。这就是开发新材料的意义。''

虽然具有在室温下不易变形的强度，但通过将其熔化并倒入模具中、切割或压制弯曲，可以加工成各种形状。而且，它不会像木头那样腐烂。金属可以说是理想的工业原料。自有历史记录以来，人类通过加工金属创造了许多发明。金属广泛用于武器和神圣工具，以及建筑材料、汽车零件、计算机和飞机零件。提高强度的材料的开发以及提高加工效率和精度的加工技术的进步成为新发明的基础，这反过来又创造了新的需求并鼓励后续的发明。

目前，市场对金属材料发展的期望大多是“硬”。期望它具有承受恶劣使用的强度，并为产品带来绝对的可靠性。喷气发动机燃油喷射喷嘴和涡轮叶片也许是最好的例子。

“市场对硬质材料的需求很大。我们可以达到满足这种需求的硬度。但是，我们不能仅仅因为制造了硬质圆棒或锭而高兴。只有将其加工成零件，我们才能将其投入实际使用。但是，有时它太难切割。在开发材料时，我们不仅要考虑成分，还要考虑随后的加工过程。”

例如，钛比钢坚固，重量约为钢的一半，使其成为航空航天领域的理想材料。然而，高温使其更容易与各种元素发生反应，因此铸造和焊接需要特殊的工艺。熔融钛在隔绝氧气和氮气的环境中浇注，或者如果不可能，则将零件浇注到两倍以上厚度的模具中，然后雕刻到所需的厚度。自然，制造成本将会飙升。

“我在钛方面遇到了很多麻烦”，这位教授说，他长期以来一直希望 3D 打印机能够减少建模中的劳动力。

从期待到信心
“电子束可以做到这一点”

但是当我在 2000 年代初第一次接触 3D 打印机时，我完全失望了。

“这是一种通过用激光照射金属粉末来创建形状的方法。但是，当我看到成品零件时，强度太低，所以我认为作为原型来说还可以，但距离用作产品还有很长的路要走。”

当时使用的头是二氧化碳激光器。由于波长较长，会在铝、铜、钛等有色材料表面发生反射，导致熔化不充分。据预测，高温加工过程中与氧气的反应也会导致劣化。

教授对这种可能性着迷，购买了设备并进行了广泛的研究，看看“全新的金属加工工艺”可以产生哪些材料特性。结果很明显，该工艺并不逊色于传统的加工方法，而是具有其他加工方法无法比拟的优势。那就是“物质分布的均匀性”。

通常，在制造合金时，将金属材料熔化在一起，然后冷却并制成铸锭。在冷却过程中，较重的元素沉入底部，较轻的元素聚集到顶部。在这种情况下，铸锭中会出现材料的不均匀性（=偏析）。如果材料不均匀，强度等特性也会不均匀。这对于小锭来说可能不是问题，但是对于大锭来说，一边有好几米，凝固需要时间，所以偏析达到了不可忽视的程度。然而，在增材制造中，粉末被当场熔化以创建模型，这种不均匀性就不会发生。

此外，在铸造过程中倒入模具时，模具附近的区域会迅速冷却，但较远的区域会缓慢凝固。这可能会在中心产生一个空腔。

“这通常是一个致命的缺陷，但由于它无法避免，因此历史上一直在尝试解决它。但是，对于安全性极其重要的部件，例如喷气发动机的涡轮机，这是不能容忍的。通过增材制造，这也可以避免。”

强度测试表明，它比锻造具有更高的强度，锻造在铸入模具后通过敲击或加热来增加强度。问题在于制造所涉及的时间和成本，但他说，“科学和技术总是不断向更好的方向发展。”他希望这个问题有一天能够得到解决。

与拥有电子束技术的 JEOL 共同开发

发布时间：2021 年 5 月

点击此处了解电子束金属 3D 打印机 (AM) 的产品信息