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研究人员揭示如何实现坚固不锈钢的3D打印

发布时间:2022-09-29 682
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对于客机、货船、核电站和其他关键技术而言,强度和耐久性至关重要。这就是为什么许多钢中含有一种非常坚固和耐腐蚀的合金,称为17-4沉淀硬化(PH)不锈钢。现在,17-4 PH钢可以在保持良好特性的同时进行3D打印。


来自美国国家标准与技术研究所(NIST)、威斯康星大学麦迪逊分校和阿贡国家实验室的研究人员团队已经确定了特殊的17-4钢成分,这些成分在打印时与传统制造版本的性能相匹配。《增材制造》杂志描述了研究人员的策略,该策略基于他们使用粒子加速器的高能X射线获得的在打印过程的高速数据。


这项研究新发现可以帮助17-4 PH零件的生产商,使用3D打印降低成本并提高制造灵活性。研究中用于检查材料的方法,也可以为更好地理解如何打印其他类型的材料奠定基础。尽管3D打印与传统制造相比具有优势,但某些材料的3D打印可能会产生对某些应用来说过于不一致的结果。打印金属特别复杂,部分原因是打印过程中的温度变化非常快。


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研究合著者、NIST物理学家Fan Zhang表示:“当你想到金属3D打印时,我们基本上是用激光等高功率源将数百万微小粉末颗粒焊接成一块,将其熔化成液体并冷却成固体。但冷却速度很高,有时高于每秒一百万摄氏度,这种极端的非平衡状态给测量带来了一系列非同寻常的挑战。”


Fan Zhang进一步指出,由于材料加热和冷却的速度太快,材料中原子的排列或晶体结构变化很快,因此很难确定。因为我们对钢在打印时晶体结构的变化了解不多,研究人员多年来一直在努力3D打印17-4沉淀硬化不锈钢,其中晶体结构必须恰好——一种称为马氏体的材料,以展示其备受追捧的性能。


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,并找到一种将内部结构推向马氏体的方法。正如需要高速摄影机才能看到蜂鸟拍打翅膀一样,研究人员也需要特殊设备来观察结构在毫秒内发生的快速变化。他们在同步辐射X射线衍射(XRD)中找到了合适的工具。


威斯康辛大学麦迪逊分校机械工程教授、研究合著者Lianyi Chen表示:“在XRD中,X射线与材料相互作用后形成一种类似指纹的信号,与材料的特定晶体结构相对应。”在位于阿贡国家实验室的1100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),是如何影响整个过程的。


虽然铁是17-4 PH钢的主要成分,但合金的成分可能含有数量多达十几种不同的化学元素。研究人员现在掌握了打印过程中结构动力学的清晰图片作为指导,能够微调钢的组成并找到一组成分,仅包括铁、镍、铜、铌和铬。


Fan Zhang说:“成分控制确实是3D打印合金的关键。通过控制成分就能控制凝固方式。实验表明,在广泛的冷却速度范围内,比如每秒1000到1000万摄氏度之间,我们的成分始终如一地生成全马氏体17-4 PH钢。”另外,一些成分导致形成诱导强度的纳米颗粒,而传统方法要求对钢进行冷却然后再加热。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。


力学测试表明,3D打印钢具有马氏体结构和强度诱导纳米颗粒,与通过传统方法生产的钢的强度相匹配。这项新的研究也可能会对17-4沉淀硬化不锈钢产生影响。基于XRD的方法不仅可以用于优化其他合金的3D打印,而且它所揭示的信息还能用于构建和测试预测打印部件质量的计算机模型。


Lianyi Chen表示:“我们的17-4可靠且可复制,降低了商业使用的壁垒。如果制造商遵循这种结构,他们应该能够打印出与传统制造部件一样好的17-4结构。”

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