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3D打印堅(jiān)固的17-4 PH不銹鋼

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17-4 PH 不銹鋼是一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼，通常用于需要高強(qiáng)度和適度耐腐蝕性的應(yīng)用中。是一種具有高抗拉強(qiáng)度的材料，該牌號(hào)的強(qiáng)度是最常用的不銹鋼 304 和 316 的兩倍。來自美國(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)室的一組研究人員已經(jīng)確定了特定的 17-4 鋼成分，新發(fā)現(xiàn)可以幫助 17-4 PH 零件的生產(chǎn)商通過3D 打印來降低成本并提高制造靈活性。

stainless3D 打印的 17-4 不銹鋼的顯微圖像，顯微照片顯示 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。© 威斯康星大學(xué)麥迪遜分校

成分配比改變打印結(jié)果

3D打印金屬特別復(fù)雜，部分原因是在此過程中溫度變化如此之快。盡管與傳統(tǒng)制造相比具有優(yōu)勢(shì)，但某些成分配比的3D打印可能會(huì)產(chǎn)生過于不一致的結(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)百萬個(gè)微小的金屬粉末顆粒“焊接”成一個(gè)整體，通過將金屬粉末熔化成液體再將它們冷卻成固體，根據(jù)NIST科學(xué)家張帆，金屬3D打印的冷卻速度很高，有時(shí)甚至高于每秒一百萬攝氏度，而這種極端的非平衡條件帶來了一系列非凡的測(cè)量挑戰(zhàn)。

根據(jù)NIST科學(xué)家張帆，由于材料加熱和冷卻如此迅速，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 – 一種稱為馬氏體的材料 – 才能展示其備受追捧的材料特性。

XRD洞悉打印過程

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 射線衍射（或 XRD）來觀察在毫秒內(nèi)發(fā)生的結(jié)構(gòu)快速變化。

通過X 射線衍射 (XRD) 觀察在毫秒內(nèi)發(fā)生的結(jié)構(gòu)快速變化，是材料科學(xué)和工程的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，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。

根據(jù)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程陳教授，在 XRD 過程中，X 射線與材料相互作用，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。

該團(tuán)隊(duì)繪制了晶體結(jié)構(gòu)在3D打印過程中的變化情況，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)十幾種不同的化學(xué)元素。研究人員現(xiàn)在以清晰的3D打印過程中的結(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，通過控制成分，能夠控制3D打印過程的固化方式。研究人員還表明，在很寬的冷卻速率范圍內(nèi)，比如每秒 1,000 到 1000 萬攝氏度之間，成分始終能產(chǎn)生完全馬氏體 17-4 PH 鋼。

這項(xiàng)新研究也可能在 17-4 PH 鋼領(lǐng)域引起轟動(dòng)，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。