通过破解金属3D打印难题 研究人员推动该技术的广泛应用

研究人员尚未将金属的增材制造(或3D打印)完全归结为一门科学。我们对金属过程中发生的情况的理解存在差距，导致结果不一致。但一项新的突破可能会使金属3D打印的掌握达到前所未有的水平。

使用两种不同的粒子加速器设施，瑞典国家标准与技术研究院(NIST)，KTH皇家理工学院和其他机构的研究人员已经窥视了钢的内部结构，因为它在3D打印过程中熔化然后凝固。发表在Acta Materialia上的研究结果为3D打印专业人员解锁了一种计算工具，为他们提供了更大的能力来预测和控制打印部件的特性，从而可能提高该技术的一致性和大规模制造的可行性。

打印金属件的常用方法基本上是用激光将粉末金属池逐层焊接成所需的形状。在使用金属合金打印的第一步中，材料迅速加热和冷却，其原子(可以是少量不同元素)堆积成有序的晶体形成。晶体决定了打印部件的性能，例如韧性和耐腐蚀性。可以出现不同的晶体结构，每种晶体结构都有自己的优点和缺点。

“基本上，如果我们能够在打印过程的初始步骤中控制微观结构，那么我们就可以获得所需的晶体，并最终确定增材制造零件的性能，”NIST物理学家Fan Zhang说。

虽然印刷过程浪费的材料更少，并且可用于生产比传统制造方法更复杂的形状，但研究人员一直在努力掌握如何将金属转向特定种类的晶体而不是其他晶体。

这种知识的缺乏导致了不太理想的结果，例如具有复杂形状的零件由于其晶体结构而过早开裂。

“在通常制造的数千种合金中，只有少数可以使用增材制造制造，”张说。

科学家面临的部分挑战是金属3D打印过程中的凝固发生在眨眼间。

为了捕捉这种高速现象，这项新研究的作者在阿贡国家实验室的先进光子源和保罗谢勒研究所的瑞士光源中使用了循环粒子加速器(称为同步加速器)产生的强大X射线。

该团队试图了解可以通过激光功率和运动设置控制的金属的冷却速率如何影响晶体结构。然后，研究人员会将这些数据与1980年代开发的广泛使用的计算模型的预测进行比较，该模型描述了合金的凝固。

虽然该模型在传统制造工艺中受到信任，但陪审团一直在研究其在3D打印快速温度变化的独特背景下的适用性。

“同步加速器实验既耗时又昂贵，因此您无法针对您感兴趣的每种条件运行它们。但它们对于验证模型非常有用，然后可以用来模拟有趣的条件，“该研究的共同作者，KTH皇家理工学院材料科学与工程副教授Greta Lindwall说。

在同步加速器中，作者为热作工具钢建立了增材制造条件 - 顾名思义，这是一种用于制造可以承受高温的工具的金属。

当激光液化金属并出现不同的晶体时，X射线束以足够的能量和速度探测样品，以产生转瞬即逝的过程的图像。团队成员需要两个独立的设施来支持他们想要测试的冷却速率，其温度范围从每秒数万到超过一百万开尔文。

研究人员收集的数据描绘了两种晶体结构(奥氏体和三角铁素体)之间的推拉，后者与打印部件的开裂有关。随着冷却速率超过每秒 1 万开尔文(5 万华氏度)，奥氏体开始主导其竞争对手。这个临界阈值与模型所预测的一致。

“模型和实验数据非常一致。当我们看到结果时，我们真的很兴奋，“张说。

该模型长期以来一直是传统制造业材料设计的可靠工具，现在3D打印空间可能会得到同样的支持。

结果表明，该模型可以为科学家和工程师提供信息，为打印过程的早期凝固步骤选择什么冷却速率。这样，最佳的晶体结构将出现在他们想要的材料中，使金属3D打印减少掷骰子。

“如果我们有数据，我们可以用它来验证模型。这就是你如何加速工业增材制造的广泛采用，“张说。

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