研究人员开创使用X射线和激光铸造技术实现超强不锈钢的3D打印

南极熊导读：3D打印是一种利用数字模型逐层构建三维物体的技术。金属合金在打印过程中会经历剧烈的温度波动，这使得打印过程尤为复杂。

△增强型3D打印技术现已能够生产17-4 PH不锈钢，从而优化其强度和耐腐蚀性。这一成就标志着复杂合金增材制造向前迈出了重要一步

2024年10月21日，南极熊获悉，科学家们利用X射线技术，成功开发出强度和耐久性极佳的17-4 PH不锈钢，这一成果在3D打印领域标志着重大进步。

17-4 PH不锈钢因其卓越的强度和耐腐蚀性，在工业机械、船舶、航空航天和医疗设备等领域得到广泛应用。然而，通过3D打印技术复制这种高性能材料面临挑战，这需要对激光加热引起的快速温度变化进行精确监控，并对材料的晶体结构进行细致调整。最近的研究进展已经降低了17-4 PH组件的生产成本，并提升了制造过程的灵活性。

△该研究论文题目为“相变动力学指导增材制造合金开发”（传送门）

不锈钢3D打印取得突破

历史上，3D打印技术在处理钢和其它合金时通常面临多种问题，主要是由于这些材料在激光加热过程中经历的快速温度变化。这些剧烈变化会导致原子结构的破坏，进而影响材料的韧性。然而，科学家们现在能够利用高亮度X射线束实时监控这些变化，并相应地调整材料的化学成分以补偿这些效应，从而显著提升最终产品的耐用性。

△科研人员采用沉淀硬化不锈钢制造策略，该设计由原位高速、高能、高分辨率X射线衍射揭示的相变动力学指导

增材制造的创新

借助于位于阿贡国家实验室的能源部科学办公室用户设施——先进光子源（APS）的高亮度X射线束，研究人员得以监测17-4 PH不锈钢的3D打印过程。通过使用高能X射线衍射，研究团队能够在材料加热和冷却的过程中，每隔几毫秒捕获一次图像。这些图像揭示了工艺参数变化与晶体结构变化之间的关联性。此外，这项研究中开发的技术为深入理解如何通过3D打印优化各种材料的性能，并进一步提升其性能提供了重要基础。

△在金属3D打印过程中，为了研究和识别可能影响材料性能的内部缺陷（如热裂纹和气泡），研究人员使用微断层扫描技术来获取这些缺陷的三维图像

进一步地，研究人员使用APS的小角度X射线散射技术来表征纳米沉淀物，这些微小的结构异常对打印出的不锈钢部件的最终强度有着显著影响。这项开发的方法有望帮助制造商以持续和经济高效的方式生产出世界上一些最为坚韧的材料。

本项研究得到了美国国家科学基金会（NSF）和威斯康星大学麦迪逊分校启动基金的资助。研究利用了威斯康星大学麦迪逊分校纳米技术研究中心的设施，其中部分资源由美国国家科学基金会通过威斯康星大学材料研究科学与工程中心提供。此外，研究团队还借助了美国能源部科学办公室用户设施中的先进光子源。