火箭发动机与高超声速系统的工作温度已突破约 1,050 °C，而这正是镍基高温合金开始软化的温度区间，铌合金是少数能够接替的材料之一。粉体生产商 TANIOBIS（taniobis.com）现已证明，其中两种合金 C-103 与 FS-85 可以在工业规模上通过激光粉末床熔融（PBF-LB）进行加工。在单激光 AM400 设备上开发的工艺参数，仅需小幅调整即可移植到四激光 AM500Q 上。零件孔隙率低于 0.1%，光密度高于 99.9%。示范用火箭发动机喷嘴从成型基板上取下时无裂纹，研究者据此认为，两种合金的零件批量生产已不存在技术障碍。
从测试立方体到发动机喷嘴
为验证更大设备上的一致性，团队用四组最优参数组合打印了 52 个立方体，并将它们随机散布在基板上，以免位置对结果产生偏倚。各处孔隙率均低于 0.3%；个别异常值最可能是熔池飞溅造成的。随后打印了直径 53 mm、高 100 mm 的喷嘴，无可见缺陷。首批打印使用单激光，以确认工艺可重复性；后续打印则四激光同时运行，提高了产出效率，接近真实生产条件。C-103 在 AM500Q 上的工艺窗口也扩大到 95–255 J/mm³。
团队对比了两台设备打印的拉伸试样，分别沿成型方向（XZ）和垂直于成型方向（XY）取样。试样直径 4 mm、标距 16 mm，按 ASTM E8 标准以 0.005 mm/mm/min 的速率拉伸至断裂，两者结果高度吻合。四激光系统所得屈服强度与抗拉强度略低，研究者将其归因于连续激光运行带来的残余应力降低。延伸率差异落在误差范围内。
SEM 图像显示颗粒呈球形、无团聚，具有枝晶组织与轻微化学成分偏析，但无择优晶体取向。图片来源：TANIOBIS。
强度、塑性与高温行为
两种合金各有取舍。室温下 FS-85 的抗拉强度约为 750 MPa、杨氏模量 137 GPa，而 C-103 分别为 565 MPa 和 95 GPa。C-103 断裂前延伸率为 20–22%，FS-85 仅为 6–7%。断口形貌与这些数据一致：FS-85 沿晶界断裂，C-103 则呈韧性断裂典型的纤维状断口。热处理可将两种合金的延伸率提升至约 30%，而强度几乎不损失。与传统工艺制备的材料相比，打印试样总体强度更高，但塑性较低。
高温测试在氩气气氛下通过电 — 热 — 力耦合测试（ETMT）系统进行，最高至 1,600 °C。微型试样（2.0 × 1.0 mm²，标距 14 mm）经线切割加工、抛光后，在 10⁻⁴ s⁻¹ 的恒定应变速率下每组测试三次。在整个温度区间内 FS-85 均优于 C-103。到 1,500 °C 时，C-103 已几乎无强度，FS-85 仍保持约 220 MPa 的抗拉强度和 195 MPa 的屈服强度。
打印态 C-103 大幅优于轧制态 C-103：抗拉强度 557 MPa 对 420 MPa，屈服强度 462 MPa 对 296 MPa。在约 800 °C 以上，随着打印组织粗化，这一优势有所收窄，但在失效前始终存在。
EBSD 分析解释了这些差异。轧制坯料的晶粒均匀，平均约 24 µm；打印态零件的晶粒沿成型轴拉长，因此性能具有方向依赖性 —— 这也是 XZ 试样塑性低于 XY 试样的原因。在氩气中 1,900 °C 保温两小时后，打印材料再结晶缓慢。研究者将其归因于缺乏预先变形以及较高的氧含量。完全再结晶需要远高于熔点 0.6 倍的温度。
SEM 图像显示颗粒呈球形、无团聚，具有枝晶组织与轻微化学成分偏析，但无择优晶体取向。图片来源：TANIOBIS。
粉体与工艺参数开发
原料粉体由电极感应熔炼气雾化（EIGA）制备，并筛分至 15–63 µm。化学成分通过 ICP-OES 与燃烧分析法验证，形貌通过 SEM、EDS 与 EBSD 表征。颗粒接近理想球形，无团聚、无卫星粉，这是获得良好流动性与致密成型件的前提。雾化过程中冷却速率适中，因而在颗粒中确实留下了枝晶偏析；PBF-LB 中快得多的凝固过程将其消除，留下均匀组织。
在 AM400 上，通过单熔道与 10 mm 立方体，考察了激光功率、扫描速度与体积能量密度如何影响熔池与孔隙率。C-103 可适应 160–240 J/mm³，而 FS-85 需要更窄的 105–125 J/mm³。参数调优将孔隙率从约 1% 降至 0.06%，并改善了化学成分均匀性。
选择打印铌合金的理由
未来发动机的工作温度将远超 1,000 °C，而镍基与钴基高温合金在 1,050 °C 以上便开始蠕变与软化。铌、铪、钽、钼、钨等难熔金属的熔点介于 2,200 °C 与 3,400 °C 之间。铌的突出之处在于：熔点 2,477 °C，密度仅 8.57 g/cm³，热导率 54 W/(m・K)，且成形性良好。C-103 之所以成为首选牌号，是因为它兼顾了强度与可加工性。不过铌的机加工十分费工，其应用因此长期局限于板材与棒材。增材制造消除了大部分机加工负担，使铌合金得以实现推进系统硬件所需的复杂近净成形几何结构。
弥合铌合金增材制造的鉴定差距
TANIOBIS 的这项研究瞄准可打印性之后的下一步：证明这些合金的性能一致性足以通过飞行硬件的鉴定。该公司还着手扩大供应渠道，与美国 ELMET Technologies 签署战略供应协议，在北美分销其 C-103 与 FS-85 粉体。其他公司则从设备端着手解决同样的鉴定难题。ELMET 安装了一套新系统，瞄准整体式高超声速换热器；此次安装是在与 3D Systems 应用创新组就 C103 打印参数开展八年联合开发之后进行的，因为用 LPBF 加工该合金要求异常严格的氧含量控制。该设备将氧含量控制在 25 ppm 以下，通常为 0–6 ppm，使粉体可在多次打印中重复使用而不劣化 —— 对于昂贵的难熔合金而言，这是影响单件成本的重要因素。
在美国，Velo3D 在其 Sapphire 打印机上推进 AMAero 的 C103 与 Ti-6Al-4V 粉体鉴定，此前奥本大学 NCAME 确认该粉体经 2,200 °F 热处理后满足 ASTM F3635 B 级要求。NCAME 指出，C103 粉体价格最高可达每千克 4,000 美元。
国防资金正投向剩余的缺口。America Makes 与 NCDMM 向四个开发增材制造用难熔合金的团队授予 600 万美元，资助方向针对材料性能数据不完整、工艺波动性以及供应链脆弱等问题。如今限制铌合金增材制造的是鉴定，而非合金本身能否打印。TANIOBIS 在多激光系统上对 C-103 以及强度更高的 FS-85 取得的可重复结果，补充了行业仍在积累的那类数据集。
来源：中国3D打印网编译文章！
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