對(duì)于客機(jī)、貨船、核電站和其他關(guān)鍵技術(shù)而言，強(qiáng)度和耐久性至關(guān)重要。這就是為什么許多鋼中含有一種非常堅(jiān)固和耐腐蝕的合金，稱(chēng)為17-4沉淀硬化（PH）不銹鋼。現(xiàn)在，17-4 PH鋼可以在保持良好特性的同時(shí)進(jìn)行3D打印。

來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了特殊的17-4鋼成分，這些成分在打印時(shí)與傳統(tǒng)制造版本的性能相匹配。《增材制造》雜志描述了研究人員的策略，該策略基于他們使用粒子加速器的高能X射線獲得的在打印過(guò)程的高速數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)研究新發(fā)現(xiàn)可以幫助17-4 PH零件的生產(chǎn)商，使用3D打印降低成本并提高制造靈活性。研究中用于檢查材料的方法，也可以為更好地理解如何打印其他類(lèi)型的材料奠定基礎(chǔ)。盡管3D打印與傳統(tǒng)制造相比具有優(yōu)勢(shì)，但某些材料的3D打印可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于不一致的結(jié)果。打印金屬特別復(fù)雜，部分原因是打印過(guò)程中的溫度變化非?？?。

研究合著者、NIST物理學(xué)家Fan Zhang表示：“當(dāng)你想到金屬3D打印時(shí)，我們基本上是用激光等高功率源將數(shù)百萬(wàn)微小粉末顆粒焊接成一塊，將其熔化成液體并冷卻成固體。但冷卻速度很高，有時(shí)高于每秒一百萬(wàn)攝氏度，這種極端的非平衡狀態(tài)給測(cè)量帶來(lái)了一系列非同尋常的挑戰(zhàn)。”

Fan Zhang進(jìn)一步指出，由于材料加熱和冷卻的速度太快，材料中原子的排列或晶體結(jié)構(gòu)變化很快，因此很難確定。因?yàn)槲覀儗?duì)鋼在打印時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的變化了解不多，研究人員多年來(lái)一直在努力3D打印17-4沉淀硬化不銹鋼，其中晶體結(jié)構(gòu)必須恰好——一種稱(chēng)為馬氏體的材料，以展示其備受追捧的性能。

這項(xiàng)新研究的作者旨在闡明快速溫度變化期間發(fā)生的情況，并找到一種將內(nèi)部結(jié)構(gòu)推向馬氏體的方法。正如需要高速攝影機(jī)才能看到蜂鳥(niǎo)拍打翅膀一樣，研究人員也需要特殊設(shè)備來(lái)觀察結(jié)構(gòu)在毫秒內(nèi)發(fā)生的快速變化。他們?cè)谕捷椛鋁射線衍射（XRD）中找到了合適的工具。

威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程教授、研究合著者Lianyi Chen表示：“在XRD中，X射線與材料相互作用后形成一種類(lèi)似指紋的信號(hào)，與材料的特定晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)?！痹谖挥诎⒇晣?guó)家實(shí)驗(yàn)室的1100米長(zhǎng)的粒子加速器高級(jí)光子源（APS）中，作者在打印過(guò)程中將高能X射線粉碎成鋼樣品。

作者繪制了晶體結(jié)構(gòu)在打印過(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），是如何影響整個(gè)過(guò)程的。

雖然鐵是17-4 PH鋼的主要成分，但合金的成分可能含有數(shù)量多達(dá)十幾種不同的化學(xué)元素。研究人員現(xiàn)在掌握了打印過(guò)程中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的清晰圖片作為指導(dǎo)，能夠微調(diào)鋼的組成并找到一組成分，僅包括鐵、鎳、銅、鈮和鉻。

Fan Zhang說(shuō)：“成分控制確實(shí)是3D打印合金的關(guān)鍵。通過(guò)控制成分就能控制凝固方式。實(shí)驗(yàn)表明，在廣泛的冷卻速度范圍內(nèi)，比如每秒1000到1000萬(wàn)攝氏度之間，我們的成分始終如一地生成全馬氏體17-4 PH鋼?！绷硗猓恍┏煞謱?dǎo)致形成誘導(dǎo)強(qiáng)度的納米顆粒，而傳統(tǒng)方法要求對(duì)鋼進(jìn)行冷卻然后再加熱。換句話(huà)說(shuō)，3D打印可以讓制造商跳過(guò)需要特殊設(shè)備、額外時(shí)間和生產(chǎn)成本的步驟。

力學(xué)測(cè)試表明，3D打印鋼具有馬氏體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度誘導(dǎo)納米顆粒，與通過(guò)傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的鋼的強(qiáng)度相匹配。這項(xiàng)新的研究也可能會(huì)對(duì)17-4沉淀硬化不銹鋼產(chǎn)生影響?；赬RD的方法不僅可以用于優(yōu)化其他合金的3D打印，而且它所揭示的信息還能用于構(gòu)建和測(cè)試預(yù)測(cè)打印部件質(zhì)量的計(jì)算機(jī)模型。

Lianyi Chen表示：“我們的17-4可靠且可復(fù)制，降低了商業(yè)使用的壁壘。如果制造商遵循這種結(jié)構(gòu)，他們應(yīng)該能夠打印出與傳統(tǒng)制造部件一樣好的17-4結(jié)構(gòu)?！?/p>