SCI一區(qū)：3D打印馬氏體不銹鋼，產(chǎn)品性能與傳統(tǒng)制造方式相當！

導讀：基于熔融的增材制造（AM），例如激光粉末床熔融（LPBF）、定向能量沉積（DED）可以定制生產(chǎn)幾何和成分復雜的零件，使其具有前所未有的功能和性能。 然而，由于局部熱源與材料相互作用所固有的復雜且經(jīng)常是極端的熱條件，對穩(wěn)定地在打印件中獲得所需的相構(gòu)成了相當大的挑戰(zhàn)，特別是對于在AM制造過程中具有多階段相變的材料（如鋼、鈦合金、鎳超合金）。這些挑戰(zhàn)經(jīng)常表現(xiàn)在三個方面：（1）由于快速的冷卻速度，AM凝固發(fā)生在遠離平衡點，導致相變的順序/時間偏離平衡相圖。(2) 熔池不同位置的加熱/冷卻條件是不均勻的，導致單一熔池內(nèi)出現(xiàn)不同的相構(gòu)成。(3) 不同的機器、同一批次的不同部件、甚至一個部件中的不同區(qū)域的熱條件都是不同的，導致不同打印品的相構(gòu)成不一致。



2022年9月，南極熊獲悉，來自美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)、阿貢國家實驗室和威斯康星大學麥迪遜分校的一組科學家已經(jīng)確定了一種特定的 17-4 鋼成分，該成分在打印時與傳統(tǒng)生產(chǎn)的零件表現(xiàn)出的性能相當。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《增材制造》期刊上（SCI 一區(qū)），題目為《Phase transformation dynamics guided alloy development for additive manufacturing 》（《相變動力學指導下的增材制造用合金開發(fā)》）


△3D 打印的 17-4 不銹鋼的顯微圖像。圖像左側(cè)版本中的顏色代表合金中晶體的不同方向。圖片來源：NIST

材料強度和耐用性對于貨船、客機、核電站和其他關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。這就是為什么研究人員要研發(fā)這種稱為不銹鋼（17-4 沉淀硬化 (PH)）的極其堅固且耐腐蝕的合金。這是首次，17-4 PH 鋼可以在保持其優(yōu)勢特性的同時可靠地進行 3D 打印。

3D打印相對于傳統(tǒng)制造具有優(yōu)勢，然而，某些材料的 3D 打印會產(chǎn)生與特定應用不兼容的結(jié)果。打印金屬很復雜，因為在此過程中溫度變化很快。當適用金屬材料進行增材制造時，我們實際上是使用激光等高功率源將數(shù)百萬個微小的粉末顆粒焊接成一個整體，將它們?nèi)刍�成液體并將它們冷卻成固體。但冷卻速度很高，有時甚至高于每秒一百萬攝氏度，這種極端的非平衡條件帶來了一系列測量挑戰(zhàn)。材料中原子的組織或晶體結(jié)構(gòu)變化很快，由于其溫度快速變化，因此難以確定。 研究人員一直在努力對 17-4 PH 進行 3D 打印，這種材料的晶體結(jié)構(gòu)必須精確正確才能顯示出其非常理想的特性。

研究最大的問題是研究人員不了解打印時鋼的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生什么變化。所以，針對此問題，這些研究人員將問題聚焦于“快速溫度波動期間晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生什么變化”，并確定加速內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的策略�？茖W家們需要專門的設(shè)備來在幾毫秒內(nèi)捕捉到深刻的結(jié)構(gòu)變化。研究人員使用有關(guān)打印過程的高速數(shù)據(jù)開發(fā)了他們的技術(shù)，這些觀察結(jié)果可以幫助 17-4 PH 零件的生產(chǎn)商使用 3D 打印來降低成本并增強其制造多功能性。他們發(fā)現(xiàn)同步加速器 X 射線衍射 (XRD) 是這項工作的理想技術(shù)。在 XRD 中，X 射線與材料相互作用，會形成一個信號，就像指紋一樣，對應于材料的特定晶體結(jié)構(gòu)。研究人員在高級光子源 (APS) 打印時將高能 X 射線粉碎到鋼樣品中，APS 是能源部阿貢國家實驗室的強大光源。使用上述儀器，作者在打印過程中描繪了晶體結(jié)構(gòu)的演變，展示了其控制范圍內(nèi)的元素（例如金屬粉末的成分）如何影響整個過程。


△激光熔化后17-4的相變動態(tài)

盡管鐵是 17-4 PH 鋼的關(guān)鍵成分，但合金的成分可能含有多種化學元素。研究人員對打印過程中的結(jié)構(gòu)動力學有了生動的了解。他們調(diào)整了鋼的成分，以確定一組有效的成分，包括鎳、鐵、鈮、銅和鉻。成分控制確實是 3D 打印合金的關(guān)鍵。通過控制成分，研究人員能夠控制材料的固化方式。研究還表明，在很寬的冷卻速率范圍內(nèi)，例如每秒 1,000 到 1,000 萬攝氏度之間，材料的成分始終能產(chǎn)生完全馬氏體 17-4 PH 鋼。


△材料成分

該研究的影響可能超出 17-4 PH 鋼。從基于 XRD 的方法獲得的信息，可用于開發(fā)和測試，可以預測打印物品質(zhì)量和優(yōu)化其他合金。研究人員指出，他們所研發(fā)的 17-4 可靠且可重復，降低了商業(yè)使用的門檻。如果他們遵循這種組合，制造商應該能夠打印出 17-4 金屬結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)制造的零件一樣好。
原文:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103068