三倍的強度，3D打印超強耐腐不銹鋼
魔猴君 行業(yè)資訊 2612天前
3D打印正在獲得工業(yè)制造業(yè)越來越多的重視，但即便是很多看好3D打印技術的制造業(yè)人士，對3D打印所能實現(xiàn)的產(chǎn)品形狀感到樂觀，但對3D打印所能實現(xiàn)的力學性能感到疑慮。
不銹鋼是近一百五十年前發(fā)明的，至今仍受歡迎。它是通過將鋼鐵本身與鐵和碳（有時是其他金屬如鎳）的組合進行熔煉制成的，并添加了鉻和鉬元素，防止生銹和腐蝕。鉻促進了鋼的鈍化并使鋼保持穩(wěn)定鈍態(tài)的結果。隨著鉬含量的增加，鋼的高溫強度提高，比如持久，蠕變等性能均獲較大改善。
金屬加工是理解冶金領域的一門深奧學問，復雜的一系列冷卻，再加上熱處理和軋制等步驟使材料具有緊密堆積的合金晶粒結構，并且顆粒之間具有薄邊界的微觀結構。當金屬彎曲或受到應力時，就容易產(chǎn)生裂縫，但是強大的邊界作用可以阻止這些裂縫的發(fā)生，使得材料更加堅固，同時仍然具有足夠的靈活性以形成所需的形狀。
3D打印研究人員長期以來一直試圖制造更堅固的金屬零件。通過粉末床選擇性金屬熔化技術，計算機控制的大功率激光束在金屬表面上前后移動。激光熔化的顆粒撞擊并融合在一起，然后粉末床下降進行另一層金屬粉末的加工。新熔化的材料結合到下面的層，通過重復這種逐層熔化的方式，工程師們可以構建復雜的形狀，例如火箭及航空發(fā)動機。問題是在顯微鏡下，這些不銹鋼零件通常是高度多孔的，并且容易斷裂。
美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）聯(lián)合喬治亞理工大學和美國俄勒岡州立大學的阿姆斯國家實驗室的科學家們通過改變加工參數(shù)和過程控制來提高零件的力學性能。通過控制激光能量以及采取快速冷卻的過程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結果。
科研人員在316L不銹鋼的3D打印領域取得了“突破”，這是一種常見的“海洋級”不銹鋼具有低碳組成。在石油管道、發(fā)動機零件和廚房設備等場合被廣泛使用，通常具有低腐蝕性和高延展性。令人興奮的是，測試表明堅固耐磨的3D打印316L不銹鋼可以提供比其他形式的鋼更高水平的強度和延展性，使其有助于化學設備、醫(yī)療植入物、發(fā)動機零件以及需要其設備優(yōu)異物理性能的各種其他應用。
現(xiàn)在，研究人員不僅僅將這種過程控制工藝應用到不銹鋼的加工中，還擴展到其他金屬材料的加工中。他們可以使得3D打印機在不同的尺度上構建小型的墻壁單元結構，這些結構可以防止裂縫和其他常見問題的發(fā)生。 測試顯示，在某些條件下，這些3D打印的不銹鋼零件的強度是傳統(tǒng)制備工藝所實現(xiàn)的強度的三倍，這一發(fā)現(xiàn)還發(fā)表在Nature Materials*上。
賓夕法尼亞州的內(nèi)基梅隆大學的機械工程師Rahul Panat表示，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的發(fā)現(xiàn)是非常令人興奮的事情。另外，Panat和他的同事們正在通過市面上購買的3D打印機來通過這種方法制造更強的金屬。
這種高強度不銹鋼的獲得可以使得3D打印技術不僅可用于航空航天行業(yè)制造飛機燃料箱，還可以用于核電廠用來制造高強度壓力管。
3D打印最容易被業(yè)界記住的是無?；约八尫诺脑O計自由度。而通過3D打印所實現(xiàn)的材料制備技術的提升是當前商業(yè)界所容易忽視的地方。所幸的是世界范圍內(nèi)，不少的研究機構在進行通過3D打印技術來提升材料性能的研究。這些研究結果將進一步擴展3D打印的市場應用空間，刺激金屬3D打印技術的市場增長。
隨著設備加工技術的提升，加之材料的配合以及價格的合理化，金屬3D打印勢必在產(chǎn)業(yè)化領域的道路越來越寬。而對于加工應用方來說，要迎接這樣的技術浪潮，了解金屬3D打印的冶金加工學就成為必修課。
在金屬加工過程中，發(fā)生著許多微妙的事情。就拿選擇性激光熔化技術來說，在激光對粉末的融化加工過程中，每個激光點創(chuàng)建了一個微型熔池，從粉末熔化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。并且，為了熔化粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末，出現(xiàn)半熔化的粉末，從而產(chǎn)生孔隙的現(xiàn)象。
對于應用端來說，除了設備的配置這樣的剛性條件，冶金性能方面還與金屬3D打印過程的諸多條件相關。加工參數(shù)的設置、粉末的質量與顆粒情況、加工中惰性氛圍的控制、激光掃描策略、激光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控制情況等等都帶來了不同的冶金結果。
通常來說加工越快，表面粗糙度越高，這是兩個此起彼長的相關變量。另外，殘余應力是DED以及SLM加工技術所面臨的共同話題，殘余應力將影響后處理和機械性能參數(shù)。不過，根據(jù)對冶金方面的駕馭能力，殘余應力也可以用來幫助促進再結晶和細小的等軸晶組織的形成。
在過去的五年里,對于金屬打印過程中微觀結構的理解和新合金的加工性能已經(jīng)獲得了不少的進步。同時還觀察到微觀結構的非均質性，在這方面通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學的進一步理解，從而不僅提高金屬3D打印的工藝控制能力，還為材料制備以及后處理提出了新的要求。
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