來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST)、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員借助同步加速器X射線(xiàn)衍射(XRD)技術(shù)，成功確定了17-4鋼的成分配比，這一新發(fā)現(xiàn)可以幫助17-4 PH不銹鋼零件的生產(chǎn)商通過(guò)3D打印來(lái)降低成本，并提高制造靈活性。
▲ 3D打印的17-4不銹鋼的顯微圖像，照片顯示3D打印不銹鋼內(nèi)部的細(xì)長(zhǎng)晶粒
圖像左側(cè)的顏色代表合金中晶體的不同方向
成分配比改變打印結(jié)果
3D打印金屬是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，部分原因是在此過(guò)程中溫度變化非常快。盡管與傳統(tǒng)制造相比其優(yōu)勢(shì)突出，但某些成分配比的3D打印可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)于不一致的結(jié)果。PBF金屬的增材制造基本上是用激光等高功率源將數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小的金屬粉末顆粒“焊接”成一個(gè)整體，通過(guò)將金屬粉末熔化成液體再將它們冷卻成固體，NIST科學(xué)家張帆指出，金屬3D打印的冷卻速度很高，有時(shí)甚至高于每秒一百萬(wàn)攝氏度，而這種極端的非平衡條件帶來(lái)了一系列非凡的測(cè)量挑戰(zhàn)。
由于材料加熱和冷卻非常迅速，使得材料內(nèi)原子的排列或晶體結(jié)構(gòu)迅速變化，難以確定。在不了解3D打印鋼的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么的情況下，研究人員多年來(lái)一直在嘗試3D打印17-4 PH不銹鋼，打印結(jié)果的晶體結(jié)構(gòu)必須恰到好處——以獲得一種馬氏體材料，從而展現(xiàn)出人們期望的材料特性。
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XRD洞悉打印過(guò)程
那么，在快速溫度變化期間會(huì)發(fā)生什么?為了找到一種獲得馬氏體3D打印結(jié)果的方法，研究人員利用同步加速器X射線(xiàn)衍射(XRD)來(lái)觀(guān)察在毫秒內(nèi)發(fā)生的結(jié)構(gòu)快速變化。
通過(guò)XRD觀(guān)察材料結(jié)構(gòu)變化是材料科學(xué)和工程的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，通過(guò)X射線(xiàn)與材料相互作用，會(huì)形成一種信號(hào)，就像獲取與材料特定晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的指紋一樣，從而準(zhǔn)確提供有關(guān)明確定義的結(jié)構(gòu)的信息，例如多層材料中的晶格或界面。
該團(tuán)隊(duì)繪制了晶體結(jié)構(gòu)在3D打印過(guò)程中的變化情況，揭示了他們控制的某些因素(例如粉末金屬的成分)如何影響整個(gè)過(guò)程。
雖然鐵是17-4 PH鋼的主要成分，但合金的成分可以包含不同數(shù)量的多達(dá)十幾種的化學(xué)元素。研究人員現(xiàn)在以清晰的3D打印過(guò)程中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)圖像為指導(dǎo)，能夠微調(diào)鋼的組成，找到一組僅包括鐵、鎳、銅、鈮和鉻的成分。
成分控制確實(shí)是3D打印合金的關(guān)鍵，通過(guò)控制成分，能夠控制3D打印過(guò)程的固化方式。研究人員還表明，在很寬的冷卻速率范圍內(nèi)，比如每秒1000到1000萬(wàn)攝氏度之間，這種成分配比始終能產(chǎn)生完全是馬氏體的17-4 PH鋼。
這項(xiàng)新成果可以幫助17-4 PH鋼的進(jìn)一步研究和發(fā)展，而且基于XRD的方法還可以用于優(yōu)化其他合金以進(jìn)行更可預(yù)測(cè)的3D打印，尤其是XRD所揭示的信息可用于構(gòu)建和測(cè)試旨在預(yù)測(cè)3D打印零部件質(zhì)量的計(jì)算機(jī)模型。
