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(dāng)！

導(dǎo)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(fù)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(fù)雜且經(jīng)常是極端的熱條件，對(duì)穩(wěn)定地在打印件中獲得所需的相構(gòu)成了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于在AM制造過(guò)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(gè)方面：（1）由于快速的冷卻速度，AM凝固發(fā)生在遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)，導(dǎo)致相變的順序/時(shí)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(dǎo)致單一熔池內(nèi)出現(xiàn)不同的相構(gòu)成。(3) 不同的機(jī)器、同一批次的不同部件、甚至一個(gè)部件中的不同區(qū)域的熱條件都是不同的，導(dǎo)致不同打印品的相構(gòu)成不一致。



2022年9月，南極熊獲悉，來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一組科學(xué)家已經(jīng)確定了一種特定的 17-4 鋼成分，該成分在打印時(shí)與傳統(tǒng)生產(chǎn)的零件表現(xiàn)出的性能相當(dāng)。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(dòng)力學(xué)指導(dǎo)下的增材制造用合金開(kāi)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(lái)源：NIST

材料強(qiáng)度和耐用性對(duì)于貨船、客機(jī)、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(jiān)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(shì)特性的同時(shí)可靠地進(jìn)行 3D 打印。

3D打印相對(duì)于傳統(tǒng)制造具有優(yōu)勢(shì)，然而，某些材料的 3D 打印會(huì)產(chǎn)生與特定應(yīng)用不兼容的結(jié)果。打印金屬很復(fù)雜，因?yàn)樵诖诉^(guò)程中溫度變化很快。當(dāng)適用金屬材料進(jìn)行增材制造時(shí)，我們實(shí)際上是使用激光等高功率源將數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小的粉末顆粒焊接成一個(gè)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(shí)甚至高于每秒一百萬(wàn)攝氏度，這種極端的非平衡條件帶來(lái)了一系列測(cè)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(duì) 17-4 PH 進(jìn)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(wèn)題是研究人員不了解打印時(shí)鋼的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生什么變化。所以，針對(duì)此問(wèn)題，這些研究人員將問(wèn)題聚焦于“快速溫度波動(dòng)期間晶體結(jié)構(gòu)會(huì)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。科學(xué)家們需要專門的設(shè)備來(lái)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(guò)程的高速數(shù)據(jù)開(kāi)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(lái)降低成本并增強(qiáng)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(xiàng)工作的理想技術(shù)。在 XRD 中，X 射線與材料相互作用，會(huì)形成一個(gè)信號(hào)，就像指紋一樣，對(duì)應(yīng)于材料的特定晶體結(jié)構(gòu)。研究人員在高級(jí)光子源 (APS) 打印時(shí)將高能 X 射線粉碎到鋼樣品中，APS 是能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)大光源。使用上述儀器，作者在打印過(guò)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(gè)過(guò)程。


△激光熔化后17-4的相變動(dòng)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(xué)元素。研究人員對(duì)打印過(guò)程中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有了生動(dòng)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(shí)是 3D 打印合金的關(guān)鍵。通過(guò)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(wàn)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(kāi)發(fā)和測(cè)試，可以預(yù)測(cè)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(fù)，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(yīng)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