新2足球贴士网:3D打印史上最坚固的不锈钢,特殊零件将更加灵活

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对于客机、货船、核电站和其他关键技术而言,强度和耐久性至关重要。这就是为什么许多钢中含有一种非常坚固和耐腐蚀的合金,称为17-4沉淀硬化(PH)不锈钢。现在,17-4 PH钢有史以来第一次可以在保持其良好特性的同时进行一致的3D打印。


来自美国国家标准与技术研究所(NIST)、威斯康星大学麦迪逊分校和阿贡国家实验室的研究人员团队已经确定了特殊的17-4钢成分,这些成分在印刷时与传统制造版本的性能相匹配。《添加剂制造》杂志描述了研究人员的策略,该策略基于他们使用粒子加速器的高能X射线获得的关于印刷过程的高速数据。

新的发现可以帮助17-4 PH零件的生产商使用3D打印来降低成本并提高其制造灵活性。本研究中用于检查材料的方法也可以为更好地理解如何打印其他类型的材料以及预测其特性和性能奠定基础。


尽管3D打印与传统制造相比具有优势,但某些材料的3D打印可能会产生对某些应用来说过于不一致的结果。印刷金属特别复杂,部分原因是印刷过程中温度变化的速度很快。


研究合著者、NIST物理学家张凡表示:“当你想到金属的添加剂制造时,我们基本上是用激光等高功率源将数百万微小的粉末颗粒焊接成一块,将其熔化成液体并冷却成固体。但冷却速度很高,有时高于每秒一百万摄氏度,这种极端的非平衡状态给测量带来了一系列非同寻常的挑战。”


张说,由于材料加热和冷却的速度太快,材料中原子的排列或晶体结构变化很快,很难确定。由于不了解钢在印刷时的晶体结构发生了什么变化,研究人员多年来一直在努力3D打印17-4 PH,其中晶体结构必须恰好——一种称为马氏体的材料,才能展示其备受追捧的性能。


这项新研究的作者旨在阐明快速温度变化期间发生的情况,并找到一种将内部结构推向马氏体的方法。

正如需要高速摄影机才能看到蜂鸟拍打翅膀一样,研究人员也需要特殊设备来观察结构在毫秒内发生的快速变化。他们在同步辐射X射线衍射(XRD)中找到了合适的工具。


威斯康辛大学麦迪逊分校机械工程教授、研究合著者陈连一表示,在XRD中,X射线与材料相互作用,将形成一种类似指纹的信号,与材料的特定晶体结构相对应。

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在阿贡国家实验室(Argonne National Lab)的1100米长的粒子加速器——先进光子源(APS),研究人员在印刷过程中将高能X射线射入钢样品。


作者绘制了晶体结构在印刷过程中是如何变化的,揭示了他们所控制的某些因素(例如粉末金属的成分)是如何影响整个过程的。


虽然铁是17-4 PH钢的主要成分,但合金的成分可能含有不同数量的多达十几种不同的化学元素。作者们现在掌握了印刷过程中结构动力学的清晰图片作为指导,能够微调钢的组成,找到一组成分,仅包括铁、镍、铜、铌和铬。


张说:“成分控制确实是3D打印合金的关键。通过控制成分,我们能够控制它的凝固方式。我们还表明,在广泛的冷却速度范围内,比如每秒1000到1000万摄氏度之间,我们的成分始终如一地生成全马氏体17-4 PH钢。”


另外,一些成分导致形成诱导强度的纳米颗粒,而传统方法要求对钢进行冷却,然后再加热。换句话说,3D打印可以让制造商跳过需要特殊设备、额外时间和生产成本的步骤。


力学测试表明,3D打印钢具有马氏体结构和强度诱导纳米颗粒,与通过传统方法生产的钢的强度相匹配。


这项新的研究也可能会对17-4 PH钢产生影响。基于XRD的方法不仅可以用于优化其他合金的3D打印,而且它所揭示的信息可以用于构建和测试用于预测打印部件质量的计算机模型。


陈说:“我们的17-4可靠且可复制,这降低了商业使用的壁垒。如果制造商遵循这种结构,他们应该能够打印出与传统制造部件一样好的17-4结构。”


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