Nature子刊：利用X射線衍射跟蹤金屬3D打印過(guò)程，實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)實(shí)時(shí)觀測(cè)

2025年9月21日，南極熊獲悉，美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和其他大學(xué)的研究人員取得了一項(xiàng)重大科學(xué)進(jìn)展，他們觀察到了金屬微觀結(jié)構(gòu)在 3D 打印過(guò)程中的實(shí)時(shí)變化。這一突破得益于阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源 (APS)，該設(shè)備是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。

△多物理場(chǎng)仿真顯示了三個(gè)激光器的位置以及單道 316L 不銹鋼的形貌和溫度分布。插圖展示了打印過(guò)程的代表性原位 X 射線圖像。紫色方框標(biāo)記了需要通過(guò)聚焦光束衍射進(jìn)行表征的區(qū)域。

研究結(jié)果以題為“Evolution of dislocations duringthe rapid solidification in additive manufacturing”的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。此前，科學(xué)家只能在打印過(guò)程完成后分析3D打印部件的微觀結(jié)構(gòu)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59988-5

項(xiàng)目首席研究員、西北大學(xué)教授、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任兼職教授Sun說(shuō)道：“金屬是由排列有序的晶體結(jié)構(gòu)的原子構(gòu)成的。但在快速加熱和冷卻的情況下，一些原子會(huì)失去排列。這些缺陷——稱為位錯(cuò)——會(huì)增強(qiáng)或削弱最終部件?！?/div>

研究團(tuán)隊(duì)利用APS的1-ID-E光束線，對(duì)常用的結(jié)構(gòu)合金316L不銹鋼進(jìn)行了3D打印。他們利用實(shí)時(shí)X射線衍射追蹤打印過(guò)程，直接測(cè)量位錯(cuò)的形成和擴(kuò)散方式及時(shí)間。

△SS316L線激光 DED 工藝的原位同步加速器 X 射線衍射

APS 物理學(xué)家 Andrew Chuang 表示：“我們的分析表明，APS 在研究以前只能通過(guò)事后分析發(fā)現(xiàn)的缺陷方面非常強(qiáng)大。這是首次將這種實(shí)時(shí)技術(shù)應(yīng)用于基于激光的方法，以研究金屬絲中的位錯(cuò)演變。”

數(shù)據(jù)顯示，位錯(cuò)形成較早，就像金屬?gòu)囊簯B(tài)變?yōu)楣虘B(tài)一樣。此前人們認(rèn)為，位錯(cuò)形成較晚，是因?yàn)槔鋮s和凝固過(guò)程中應(yīng)力不斷積累。一個(gè)關(guān)鍵因素是一種特殊的反應(yīng)，即兩種固相同時(shí)從液態(tài)中形成，從而產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)。

△SS316L線激光 DED 工藝過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的演變，從凝固到批量打印。

這種更深入的理解可以幫助工程師提高3D打印部件的強(qiáng)度和可靠性。通過(guò)調(diào)整打印變量，開(kāi)發(fā)人員能夠在微觀層面精確控制位錯(cuò)的形成。通過(guò)這種方式，他們可以充分利用位錯(cuò)的有益特性，同時(shí)最大限度地減少有害特性。

這些發(fā)現(xiàn)也可能促進(jìn)新型合金的開(kāi)發(fā)。調(diào)整不銹鋼的化學(xué)成分——例如，調(diào)整鉻或鎳的比例，或添加鋁等元素——可以影響位錯(cuò)的形成方式和應(yīng)力的分布方式。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)與工程部門的博士后研究員林高表示：“這種3D打印技術(shù)可以制造出可靠、超強(qiáng)且能夠承受極端條件的定制金屬部件。對(duì)于阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和其他實(shí)驗(yàn)室目前正在設(shè)計(jì)的下一代核反應(yīng)堆而言，它可能是制造先進(jìn)金屬部件的關(guān)鍵?！?/div>