SCI一區(qū)：3D打印馬氏體不銹鋼，產品性能與傳統制造方式相當！

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)經常表現在三個方面：（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，導致單一熔池內出現不同的相構成。(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成不一致。



2022年9月，南極熊獲悉，來自美國國家標準與技術研究院(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確定了一種特定的 17-4 鋼成分，該成分在打印時與傳統生產的零件表現出的性能相當。他們的研究已經發(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、核電站和其他關鍵技術至關重要。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打印相對于傳統制造具有優(yōu)勢，然而，某些材料的 3D 打印會產生與特定應用不兼容的結果。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百萬個微小的粉末顆粒焊接成一個整體，將它們熔化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構變化很快，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，這種材料的晶體結構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構會發(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構會發(fā)生什么變化”，并確定加速內部結構轉變的策略�？茖W家們需要專門的設備來在幾毫秒內捕捉到深刻的結構變化。研究人員使用有關打印過程的高速數據開發(fā)了他們的技術，這些觀察結果可以幫助 17-4 PH 零件的生產商使用 3D 打印來降低成本并增強其制造多功能性。他們發(fā)現同步加速器 X 射線衍射 (XRD) 是這項工作的理想技術。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構。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構的演變，展示了其控制范圍內的元素（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構動力學有了生動的了解。他們調整了鋼的成分，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，例如每秒 1,000 到 1,000 萬攝氏度之間，材料的成分始終能產生完全馬氏體 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 金屬結構，這些結構與傳統制造的零件一樣好。
原文:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103068