研究人員開創(chuàng)使用X射線和激光鑄造技術實現(xiàn)超強不銹鋼的3D打印

南極熊導讀：3D打印是一種利用數(shù)字模型逐層構建三維物體的技術。金屬合金在打印過程中會經(jīng)歷劇烈的溫度波動，這使得打印過程尤為復雜。

△增強型3D打印技術現(xiàn)已能夠生產(chǎn)17-4 PH不銹鋼，從而優(yōu)化其強度和耐腐蝕性。這一成就標志著復雜合金增材制造向前邁出了重要一步

2024年10月21日，南極熊獲悉，科學家們利用X射線技術，成功開發(fā)出強度和耐久性極佳的17-4 PH不銹鋼，這一成果在3D打印領域標志著重大進步。

17-4 PH不銹鋼因其卓越的強度和耐腐蝕性，在工業(yè)機械、船舶、航空航天和醫(yī)療設備等領域得到廣泛應用。然而，通過3D打印技術復制這種高性能材料面臨挑戰(zhàn)，這需要對激光加熱引起的快速溫度變化進行精確監(jiān)控，并對材料的晶體結構進行細致調整。最近的研究進展已經(jīng)降低了17-4 PH組件的生產(chǎn)成本，并提升了制造過程的靈活性。

△該研究論文題目為“相變動力學指導增材制造合金開發(fā)”（傳送門）

不銹鋼3D打印取得突破

歷史上，3D打印技術在處理鋼和其它合金時通常面臨多種問題，主要是由于這些材料在激光加熱過程中經(jīng)歷的快速溫度變化。這些劇烈變化會導致原子結構的破壞，進而影響材料的韌性。然而，科學家們現(xiàn)在能夠利用高亮度X射線束實時監(jiān)控這些變化，并相應地調整材料的化學成分以補償這些效應，從而顯著提升最終產(chǎn)品的耐用性。

△科研人員采用沉淀硬化不銹鋼制造策略，該設計由原位高速、高能、高分辨率X射線衍射揭示的相變動力學指導

增材制造的創(chuàng)新

借助于位于阿貢國家實驗室的能源部科學辦公室用戶設施——先進光子源（APS）的高亮度X射線束，研究人員得以監(jiān)測17-4 PH不銹鋼的3D打印過程。通過使用高能X射線衍射，研究團隊能夠在材料加熱和冷卻的過程中，每隔幾毫秒捕獲一次圖像。這些圖像揭示了工藝參數(shù)變化與晶體結構變化之間的關聯(lián)性。此外，這項研究中開發(fā)的技術為深入理解如何通過3D打印優(yōu)化各種材料的性能，并進一步提升其性能提供了重要基礎。

△在金屬3D打印過程中，為了研究和識別可能影響材料性能的內部缺陷（如熱裂紋和氣泡），研究人員使用微斷層掃描技術來獲取這些缺陷的三維圖像

進一步地，研究人員使用APS的小角度X射線散射技術來表征納米沉淀物，這些微小的結構異常對打印出的不銹鋼部件的最終強度有著顯著影響。這項開發(fā)的方法有望幫助制造商以持續(xù)和經(jīng)濟高效的方式生產(chǎn)出世界上一些最為堅韌的材料。

本項研究得到了美國國家科學基金會（NSF）和威斯康星大學麥迪遜分校啟動基金的資助。研究利用了威斯康星大學麥迪遜分校納米技術研究中心的設施，其中部分資源由美國國家科學基金會通過威斯康星大學材料研究科學與工程中心提供。此外，研究團隊還借助了美國能源部科學辦公室用戶設施中的先進光子源。