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

南極熊導(dǎo)讀：3D打印是一種利用數(shù)字模型逐層構(gòu)建三維物體的技術(shù)。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(fù)雜。

△增強(qiáng)型3D打印技術(shù)現(xiàn)已能夠生產(chǎn)17-4 PH不銹鋼，從而優(yōu)化其強(qiáng)度和耐腐蝕性。這一成就標(biāo)志著復(fù)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(xué)家們利用X射線技術(shù)，成功開發(fā)出強(qiáng)度和耐久性極佳的17-4 PH不銹鋼，這一成果在3D打印領(lǐng)域標(biāo)志著重大進(jìn)步。

17-4 PH不銹鋼因其卓越的強(qiáng)度和耐腐蝕性，在工業(yè)機(jī)械、船舶、航空航天和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，通過3D打印技術(shù)復(fù)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(jìn)行精確監(jiān)控，并對材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致調(diào)整。最近的研究進(jìn)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(xué)指導(dǎo)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(shù)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(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而影響材料的韌性。然而，科學(xué)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(yīng)地調(diào)整材料的化學(xué)成分以補(bǔ)償這些效應(yīng)，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(shè)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(xué)指導(dǎo)

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(xué)辦公室用戶設(shè)施——先進(jìn)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(tuán)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(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)聯(lián)性。此外，這項研究中開發(fā)的技術(shù)為深入理解如何通過3D打印優(yōu)化各種材料的性能，并進(jìn)一步提升其性能提供了重要基礎(chǔ)。

△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(nèi)部缺陷（如熱裂紋和氣泡），研究人員使用微斷層掃描技術(shù)來獲取這些缺陷的三維圖像

進(jìn)一步地，研究人員使用APS的小角度X射線散射技術(shù)來表征納米沉淀物，這些微小的結(jié)構(gòu)異常對打印出的不銹鋼部件的最終強(qiáng)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(jì)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(xué)基金會（NSF）和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校啟動基金的資助。研究利用了威斯康星大學(xué)麥迪遜分校納米技術(shù)研究中心的設(shè)施，其中部分資源由美國國家科學(xué)基金會通過威斯康星大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心提供。此外，研究團(tuán)隊還借助了美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施中的先進(jìn)光子源。