韧与硬的平衡，金属复合材料 3D 打印取得新突破

大马士革钢是一种有着近乎神话般美名的材料，曾被用来锻造传说中的宝剑，诸如亚瑟王的魔剑。位于德国亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所以及坐落在杜塞尔多夫的马普铁研究所（MPIE），一直在研发一种全新的3D打印方式，希望能够生产出硬度和韧性适中的亚铁复合材料，无需锻造技术，也不需要熔炉。

大马士革钢是通过层层折叠锻打而成的，得名于大马士革市，那里曾有许多用钢材锻造武器的工厂。它的每一层深浅不一，既韧又硬，专家们可以快速辨别。

大马士革钢材的特性

但是，是否能够利用激光，在不需要锻造技术或熔炉的情况下，一层一层制造出类似的复合材料呢？这是弗劳恩霍夫激光技术研究所的工艺工程师和马普铁研究所的材料开发人员提出的课题，他们在基础研究和应用研究的多个战略项目上合作了数年。“我们选择了沉积硬化了的铁基合金，它有不同的成分，也被称为马氏时效钢。”来自弗劳恩霍夫工业技术研究所增材制造部门的材料开发经理AndreasWeisheit博士解释说，“通过形成增加了强度和硬度的沉积物，对相对较短的温度峰值作出反应，我们就能一层一层地‘打造’产品，达到目标效果。”

金属复合材料的激光沉积

这类复合材料一般由很多薄层组成。通过有针对性地控制工艺温度，可以改变每一层的微观结构。这种技术就是我们熟知的原位热处理。为实现这种效果，来自亚琛和杜塞尔多夫的研究人员们使用了弗劳恩霍夫激光沉积技术。就像所有的增材制造流程一样，弗劳恩霍夫激光沉积技术是分层构建元件的。对于制造由一系列薄层构成的复合材料来说，这无疑是上佳的选择。

无需加热炉

之所以选择激光沉积技术，是因为它易于掌控，这样科学家们就能精确地调整温度，在3D打印过程中进行热处理。在传统制造中，需要将材料放入熔炉中进行最终的热处理（为了调整最终材料的机械性能），材料通常会在炉中的高温状态下保存几个小时，然后逐渐变硬。

“我们没有那么多时间！”弗劳恩霍夫激光技术研究所研究员MarkusBenjaminWilms说，“用我们的方法，在3D打印的阶段就能实现硬化，这就免除了大部分甚至全部后续热处理过程。”他们是通过循环加热来做到这一点的，将之前成形的沉积层与随后成形的沉积层加热。当合金中析出物成形速度过慢时，仍需要在熔炉中进行热处理。

激光沉积技术不仅仅适用于钢材复合材料

因此，激光沉积技术的局限性在于所选择的材料。“显而易见，我们需要一种能够对这些短时间温度循环产生反应的材料——不是所有可硬化的材料都适用。”Weisheit博士说，“但是激光沉积技术并不仅限于铁基复合材料，实验表明，它也适用于铝合金。换句话说，利用激光材料沉积的原位热处理也适用于其他合金系统。

有必要在材料开发方面进行合作

复合材料必须满足什么条件才适合使用激光沉积技术呢？Weisheit博士表示有两个关键要素：首先，必须是可打印的合金，其次，沉积速度要够快。“这是材料开发人员的工作，”Wilms研究员说，“使用其他激光3D打印方法时，必须调整合金成分，因为温度的控制过程会有点差异。”

刻意暂停以达到冷却效果

这个特殊的项目使用了马普铁研究所开发的铁镍钛模型合金。在3D打印铁镍钛结构的过程中，在一层新的金属沉积之后，研究人员都会短暂停止这一过程，使金属冷却到195摄氏度以下。“我们需要实现从奥氏体到马氏体的转变，”Weisheit博士说，“只能通过精心设置的微小温度峰值变化来形成沉积。”

从立方体到金字塔

弗劳恩霍夫激光技术研究所证实，这种方式在激光沉积技术应用中效果甚好，但逐层构建的原理目前只适用于某些简单的几何结构，如立方体。

“在这种方法的基础上不断改进，我们一定能建造更复杂的结构。目前我们已经能够在打印过程中将材料制成复杂的形状，比如三角形、金字塔形的硬度剖面。”Wilms研究员说。

正在考虑的两种方法

但是激光沉积技术并不是唯一的选择。科学家们还介绍了另一种极具潜力的方法——激光金属粉末熔化（LPBF），有时也被称为SLM技术，也是由弗劳恩霍夫激光技术研究所开发的。弗劳恩霍夫激光技术研究所的初步研究表明，激光金属粉末熔化技术也适用于复合材料的3D打印。“如果要制造非常复杂的元件，并且要求元件上的细节都具有高清晰度，那么显而易见，我会选择激光金属粉末熔化技术来实现，”Weisheit博士说。“如果目标是通过3D打印实现非常精准的硬度分布，我也会倾向于选择这种技术。否则，我就会选择激光材料沉积技术。”

寻找行业合作伙伴

Weisheit博士说，激光材料沉积技术的另一个好处是适用于复合加工。例如，它为在自由成形结构表面上建造复合结构提供了完全自由的选择。“这两种技术并不是互相竞争的关系。”Weisheit博士说，“而是根据每个特定的应用案例，选择你更倾向的那一个。我期待着与业界伙伴的深入合作，让这两种技术进一步推动更多新的实际应用。”

位于亚琛的技术团队已经有了新的想法，力争让这些技术更上一层楼。Weisheit博士表示，或许可以更加巧妙地控制流程，实现第三种状态——比如除了完全硬化和非硬化层外，还能出现部分硬化区。“到目前为止，我们一直采用短暂停止的方法来实现冷却，但其实也可以通过调整其他加工参数，例如激光输出功率来控制温度的分布。”

想了解更多相关资讯，请您参阅由Weisheit博士和Wilms研究员共同撰写的研究报告《增材制造技术实现高强度的大马士革钢》，它已经发表于2020年6月24日出版的刊物《自然》。

作者：NikolausFecht，受弗劳恩霍夫激光技术研究所委托撰写