一臺(tái)3D打印機(jī)的特寫(xiě)照片 圖片來(lái)源：RodrigoEM/iStock

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來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)制造出特定的17-4鋼成分。當(dāng)3D打印出來(lái)時(shí)，它們與傳統(tǒng)制造的版本的特性相匹配。

這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在《增材制造》（Additive Manufacturing）11月刊上。他們使用粒子加速器的高能X射線來(lái)獲取數(shù)據(jù)。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的新聞稿里說(shuō)，強(qiáng)度和耐力對(duì)核電站、貨船、飛機(jī)和其他關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。出于這個(gè)原因，許多產(chǎn)品都是由特別耐用的17-4沉淀硬化（PH）不銹鋼合金制成的。現(xiàn)在，17-4 PH鋼第一次可以被可靠地3D打印出來(lái)，同時(shí)保持其有益的特性。

這些最新的研究可能會(huì)使3D打印對(duì)17-4PH不銹鋼物品的制造商來(lái)說(shuō)更具成本效益和靈活性。本研究中用于調(diào)查該物質(zhì)的方法也可能為更好地理解如何打印各種物質(zhì)并預(yù)測(cè)其質(zhì)量和性能奠定基礎(chǔ)。

“當(dāng)你想到金屬的增材制造時(shí)，我們基本上是用激光等高功率源將數(shù)百萬(wàn)微小的粉末狀顆粒焊接成一塊，將它們?nèi)诨梢后w并冷卻成固體，”研究報(bào)告的共同作者、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的物理學(xué)家張帆（音）說(shuō)。

“但是冷卻速度很高，有時(shí)高于每秒100萬(wàn)攝氏度，這種極端的非平衡狀態(tài)造成了一系列非同尋常的測(cè)量挑戰(zhàn)。”

在快速溫度變化期間會(huì)發(fā)生什么？

研究人員開(kāi)始探索他們可以做些什么來(lái)了解在快速溫度變化過(guò)程中發(fā)生的情況，并將內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)向馬氏體。

為了檢查在幾毫秒內(nèi)發(fā)生的快速結(jié)構(gòu)變化，研究人員需要專(zhuān)門(mén)的工具。他們發(fā)現(xiàn)同步輻射X射線衍射，或稱(chēng)XRD，是最理想的技術(shù)。

“在X射線衍射中，X射線與材料相互作用，將形成一個(gè)信號(hào)，就像對(duì)應(yīng)于材料特定晶體結(jié)構(gòu)的指紋，”華盛頓大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程教授、研究報(bào)告共同作者陳聯(lián)誼（音）說(shuō)。

作者能夠?qū)︿摰某煞诌M(jìn)行微調(diào)，找到一組僅由鐵、鎳、銅、鈮和鉻組成的有效成分，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在對(duì)3D打印過(guò)程中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有了很好的了解，可以作為參考。

“成分控制確實(shí)是3D打印合金的關(guān)鍵。通過(guò)控制成分，我們能夠控制它的凝固方式。”張說(shuō)：“我們還表明，在廣泛的冷卻速率范圍內(nèi)，例如每秒1000到1000萬(wàn)攝氏度之間，我們的成分方案始終帶來(lái)完全馬氏體的17-4 PH鋼。”

最近的工作可能對(duì)17-4 PH鋼以外的材料也有影響。從基于X射線衍射的方法中獲得的信息可能被用來(lái)開(kāi)發(fā)和測(cè)試計(jì)算機(jī)模型，以預(yù)測(cè)3D打印物品的質(zhì)量，以及優(yōu)化其他合金的3D打印。

“我們的17-4（PH鋼）是可靠和可復(fù)制的，這降低了商業(yè)使用（3D打印技術(shù)）的門(mén)檻。”陳說(shuō)：“如果他們遵循這種構(gòu)成方案，制造商應(yīng)該能夠打印出與傳統(tǒng)制造的零件一樣好的17-4鋼結(jié)構(gòu)。”

論文摘要：

基于融合的增材制造技術(shù)能夠制造出傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)和成分上復(fù)雜的部件。然而，非均勻和遠(yuǎn)不平衡的加熱/冷卻條件對(duì)在打印成品中持續(xù)獲得理想相位構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。在這里，我們報(bào)告一個(gè)由原位高速、高能、高分辨率X射線衍射所揭示的相變動(dòng)力學(xué)引導(dǎo)的馬氏體不銹鋼的發(fā)展。這樣產(chǎn)生的不銹鋼在廣泛的冷卻速率（100-10000000℃/s）范圍內(nèi)始終形成理想的全馬氏體結(jié)構(gòu)，這使得直接打印具有全馬氏體結(jié)構(gòu)的零件成為可能。打印后的材料表現(xiàn)出1157±23MPa的屈服強(qiáng)度，與沉淀硬化熱處理后的鍛造材料相當(dāng)。這種打印出的特性歸因于完全的馬氏體結(jié)構(gòu)和在增材制造過(guò)程中內(nèi)在的熱處理過(guò)程中形成的精細(xì)沉淀物。這里展示的相變動(dòng)力學(xué)指導(dǎo)下的合金產(chǎn)生策略為開(kāi)發(fā)可靠的、高性能的增材制造專(zhuān)門(mén)合金開(kāi)辟了道路。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼的 的情況下