研究人员揭示了如何3D打印最坚固的不锈钢之一

对于客机、货船、核电站等关键技术，强度和耐用性至关重要。这就是为什么许多产品含有一种非常坚固且耐腐蚀的合金，称为17-4沉淀硬化(PH)不锈钢。现在，有史以来第一次，17-4PH钢可以始终如一地进行3D打印，同时保持其良好的特性。

来自美国国家标准与技术研究院(NIST)、威斯康星大学麦迪逊分校和阿贡国家实验室的一组研究人员已经确定了特定的17-4钢成分，这些成分在打印时与传统制造版本的特性相匹配。研究人员的策略在《增材制造》杂志上进行了描述，该策略基于他们使用粒子加速器的高能X射线获得的打印过程的高速数据。

新发现可以帮助17-4PH零件的生产商使用3D打印来降低成本并提高制造灵活性。本研究中用于检查材料的方法也可以为更好地了解如何打印其他类型的材料并预测它们的特性和性能奠定基础。

尽管与传统制造相比具有优势，但某些材料的3D打印可能会产生对于某些应用而言过于不一致的结果。打印金属特别复杂，部分原因是在此过程中温度变化如此之快。

激光粉末床融合型3D打印机正在运行。激光粉末床融合添加连续的金属粉末层，然后使用激光将每一层熔化到正在创建的零件上。学分：NIST

NIST物理学家说：“当你考虑金属的增材制造时，我们实质上是用激光等大功率源将数百万个微小的粉末颗粒焊接成一个整体，将它们熔化成液体并将它们冷却成固体。”研究合著者张帆。“但冷却速度很高，有时甚至高于每秒一百万摄氏度，而这种极端的非平衡条件带来了一系列非凡的测量挑战。”

张说，由于材料加热和冷却的速度如此之快，因此材料内原子的排列或晶体结构迅速变化，难以确定。在不了解打印时钢的晶体结构发生了什么情况下，研究人员多年来一直在努力3D打印17-4PH，其中晶体结构必须恰到好处-一种称为马氏体的类型-材料才能展示其备受追捧的属性。

这项新研究的作者旨在阐明快速温度变化期间发生的情况，并找到一种方法将内部结构推向马氏体。

正如需要高速相机来观察蜂鸟的拍动翅膀一样，研究人员需要特殊设备来观察在毫秒内发生的结构快速变化。他们在同步加速器X射线衍射(XRD)中找到了适合这项工作的工具。

“在XRD中，X射线与材料相互作用，会形成一个信号，就像对应于材料特定晶体结构的指纹，”威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授、研究合著者陈连毅说。

在位于阿贡国家实验室的1,100米长的粒子加速器高级光子源(APS)中，作者在打印过程中将高能X射线粉碎成钢样品。

作者绘制了晶体结构在打印过程中的变化情况，揭示了他们控制的某些因素(例如粉末金属的成分)如何影响整个过程。

虽然铁是17-4PH钢的主要成分，但合金的成分可以包含不同数量的多达十几种不同的化学元素。作者现在以清晰的印刷过程中的结构动力学图片为指导，能够微调钢的组成，找到一组仅包括铁、镍、铜、铌和铬的成分。诡计。

“成分控制确实是3D打印合金的关键。通过控制成分，我们能够控制它的固化方式。我们还表明，在很宽的冷却速率范围内，比如每秒1000到1000万摄氏度之间，我们的成分始终如一地产生完全马氏体17-4PH钢，”张说。

作为奖励，一些成分导致形成强度诱导纳米颗粒，使用传统方法，需要将钢冷却然后再加热。换句话说，3D打印可以让制造商跳过需要特殊设备、额外时间和生产成本的步骤。

机械测试表明，具有马氏体结构和强度诱导纳米颗粒的3D打印钢与通过传统方法生产的钢的强度相匹配。

这项新研究也可能在17-4PH钢之外引起轰动。基于XRD的方法不仅可以用于优化其他合金以进行3D打印，而且它所揭示的信息可用于构建和测试旨在预测打印部件质量的计算机模型。

“我们的17-4可靠且可复制，降低了商业使用的门槛。如果他们遵循这种成分，制造商应该能够打印出与传统制造零件一样好的17-4结构，”陈说。