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美科学家突破3D打印不锈钢技术,性能强3倍 – 微米纳米网
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微米和纳米科技材料

美科学家突破3D打印不锈钢技术,性能强3倍

“海洋级”不锈钢因其可以在腐蚀环境下工作,且具有高延展性而价值高昂,使其成为输油管、焊接、厨房用具、化学设备、医疗植入物、发动机零部件以及核废料储存等领域更好的选择。然而,增加这类不锈钢结构强度的常规技术通常需要牺牲其延展性。

近日,美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员,联合乔治亚理工大学、俄勒冈州立大学以及阿姆斯国家实验室的合作者,宣布在3D打印不锈钢方面取得了突破性进展。他们成功将一种最常见的海洋级不锈钢316L钢进行了3D打印,保留了其高强度和高延展性的特点。相关研究成果发表上周的Nature Materials期刊上。(“Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility”)

美科学家突破3D打印不锈钢技术,性能强3倍

3D打印的不锈钢

“为了使你想要打印出的组件有实际用途,你需要让其性质与传统冶金技术制造出的相近。” LLNL材料科学家和主要研究人员Morris Wang表示:“我们能够使用316L不锈钢在实验室中利用3D打印技术打印出零部件,并且该材料的性能实际上比传统冶金方法更好,测试结果显示,在某些条件下,这些3D打印的不锈钢零件的强度是传统冶金工艺所实现的强度的三倍。这真的是一个很大的进步。这使得不锈钢材料的3D打印变得非常有吸引力,并填补了与其他工艺的差距。”

Wang和他的同事使用了一种在市场上可以买到的3D打印机和激光设备完成了这项工作。这使得其他研究团队很可能迅速效仿他们的做法,制造出各种各样的高强度不锈钢部件——从飞机的油箱到核电站的压力管。同时,还可能增加人们对3D打印的热情。

为了成功达到甚至超出现有316L不锈钢的性能,研究人员首先必须克服限制3D打印高质量金属的主要瓶颈,即激光熔化金属粉末时所引起的孔隙率可能会导致零件容易降解和断裂。研究人员通过计算机模拟和实验建立了一个密度优化工艺,通过操纵材料的底层微观结构解决了这个问题。

“我们开发的这种微观结构打破了传统对强度和延展性两者不可兼得的认识。”Wang表示:“对于钢铁,你想要它强度更大,自然就会失去延展性;你不可能同时拥有这两者。但是,通过3D打印,我们可以将这一限制移开。”

研究人员使用两种不同的激光粉床融合机,打印了316L不锈钢的薄板进行机械测试。研究人员表示,激光熔融技术本身会导致分级的晶胞结构,从而可以被调整以改变机械性能。

LLNL的博士后研究员Thomas Voisin是该论文的主要贡献者之一,他自2016年加入实验室以来,已经对3D打印的金属进行了深入的表征。他认为,这项研究可以为增材制造材料的结构与性质关系提供新的理解。

“金属变形主要是受到纳米尺度缺陷在微观结构中的移动和相互作用的控制。”Voisin表示:“有趣的是,我们发现这种晶胞结构就像是一种过滤器,它允许一些缺陷自由移动,从而提供了必要的延展性,同时又阻止了其他缺陷的移动从而提供了强度。对这些机制观察和对其复杂性的理解,使我们能够考虑新的方法来控制这些3D打印材料的机械性能。”

Wang表示,该项目得益于该实验室在金属3D打印领域的多年模拟、建模和实验积累,从而对微观结构与力学性能之间的联系有更深刻的理解。他将不锈钢称作“替代材料”系统,在不锈钢上的发现同样可用于其他金属。

这些研究人员的最终目标是应用高性能计算来验证和预测不锈钢的性能,使用模型来控制不锈钢的底层微结构,从而发现应该如何制造出具有高性能的不锈钢。然后研究人员将考虑将类似的策略应用在那些质量更轻却又更加脆弱并易于断裂的合金上,从而开发出高性能合金。

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