新研究確定了三維印刷金屬如何既堅(jiān)固又具有韌性

與較常規(guī)工藝的同類產(chǎn)品相比，一種新的三維印刷金屬技術(shù)，涉及廣泛使用的不銹鋼，已經(jīng)證明可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性的異常水平。

發(fā)表在“ 今日材料”雜志上的研究結(jié)果概述了英國(guó)伯明翰大學(xué)，瑞典斯德哥爾摩大學(xué)和中國(guó)浙江大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)如何在3D 打印過(guò)程中優(yōu)化工藝參數(shù)以實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

這項(xiàng)研究與圍繞通過(guò)3D打印制造強(qiáng)韌金屬的能力有關(guān)，因此這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于推動(dòng)技術(shù)向重型零件制造邁進(jìn)至關(guān)重要。

3D打印長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是一種可能改變我們制造方式的技術(shù)，使我們能夠快速建立具有復(fù)雜和定制幾何形狀的物體。

隨著近年來(lái)技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印，特別是金屬 3D打印，正在迅速向廣泛的工業(yè)應(yīng)用方向發(fā)展。

實(shí)際上，制造巨頭通用電氣(GE)已經(jīng)在使用金屬3D打印來(lái)生產(chǎn)一些關(guān)鍵部件，例如最新LEAP飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴嘴。該技術(shù)幫助GE將900個(gè)獨(dú)立組件減少到16個(gè)，使燃料噴嘴減輕40%，降低60%。

到2025年，該行業(yè)的全球收入預(yù)計(jì)將超過(guò)200億美元。盡管前景光明，但金屬3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量一直容易受到懷疑。在大多數(shù)金屬3D打印工藝中，產(chǎn)品直接由金屬粉末構(gòu)成，這使得它易于產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致機(jī)械性能的劣化。

劉雷峰博士是該項(xiàng)目的主要參與者，最近從斯德哥爾摩大學(xué)轉(zhuǎn)到伯明翰大學(xué)，擔(dān)任AMCASH研究員。他說(shuō)，“強(qiáng)度和延展性是彼此的天敵，大多數(shù)方法都是為了強(qiáng)化金屬而開發(fā)的，因此降低了延展性。”

“3D打印技術(shù)已知能夠生產(chǎn)出以前難以接近的形狀的物體，我們的工作表明，它還可以生產(chǎn)下一代結(jié)構(gòu)合金，并且在強(qiáng)度和延展性方面都有顯著提高。”

由于超快的冷卻速度(估計(jì)為每秒1000oC至每秒1億oC)，這已經(jīng)成為可能 - 這是在3D打印出現(xiàn)之前在大塊金屬生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

如此快速冷卻的金屬導(dǎo)致所謂的非平衡狀態(tài)，允許一些令人驚奇的微觀結(jié)構(gòu)，如亞微尺寸的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò) - 本文揭示了這是改善機(jī)械性能的主要原因。

劉博士繼續(xù)說(shuō)道，“這項(xiàng)工作為研究人員提供了一種全新的工具來(lái)設(shè)計(jì)具有超高機(jī)械性能的新合金系統(tǒng)。它還有助于金屬3D打印進(jìn)入需要高機(jī)械性能的領(lǐng)域，如航空航天和汽車工業(yè)的結(jié)構(gòu)件“。

來(lái)自伯明翰大學(xué)冶金與材料學(xué)院的Yu-Lung Chiu博士，Ji Zou博士和Jing Wu博士組成了伯明翰團(tuán)隊(duì)。負(fù)責(zé)電子顯微鏡中心的Chiu博士在電子顯微鏡內(nèi)部建立了微納米材料測(cè)試系統(tǒng)，可以在機(jī)械測(cè)試期間原位分析樣品的性能和機(jī)理。它極大地有助于識(shí)別有效的微觀結(jié)構(gòu)特征以改善性能，更重要的是，理解機(jī)制。