三倍的強度，3D打印超強耐腐不銹鋼
魔猴君 行業(yè)資訊 2556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(shù)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(xué)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(jié)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(lǐng)域的一門深奧學(xué)問，復(fù)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(jié)構(gòu)，并且顆粒之間具有薄邊界的微觀結(jié)構(gòu)。當金屬彎曲或受到應(yīng)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(shù)，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(jié)合到下面的層，通過重復(fù)這種逐層熔化的方式，工程師們可以構(gòu)建復(fù)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(xué)和美國俄勒岡州立大學(xué)的阿姆斯國家實驗室的科學(xué)家們通過改變加工參數(shù)和過程控制來提高零件的力學(xué)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(jié)果。
科研人員在316L不銹鋼的3D打印領(lǐng)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(shè)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(xué)設(shè)備、醫(yī)療植入物、發(fā)動機零件以及需要其設(shè)備優(yōu)異物理性能的各種其他應(yīng)用。
現(xiàn)在，研究人員不僅僅將這種過程控制工藝應(yīng)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(gòu)建小型的墻壁單元結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)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(xué)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(shù)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(shè)計自由度。而通過3D打印所實現(xiàn)的材料制備技術(shù)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(gòu)在進行通過3D打印技術(shù)來提升材料性能的研究。這些研究結(jié)果將進一步擴展3D打印的市場應(yīng)用空間，刺激金屬3D打印技術(shù)的市場增長。
隨著設(shè)備加工技術(shù)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(lǐng)域的道路越來越寬。而對于加工應(yīng)用方來說，要迎接這樣的技術(shù)浪潮，了解金屬3D打印的冶金加工學(xué)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。并且，為了熔化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)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(dǎo)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(yīng)用端來說，除了設(shè)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(guān)。加工參數(shù)的設(shè)置、粉末的質(zhì)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(jié)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(guān)變量。另外，殘余應(yīng)力是DED以及SLM加工技術(shù)所面臨的共同話題，殘余應(yīng)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(yīng)力也可以用來幫助促進再結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的非均質(zhì)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(xué)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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