科研人员在金属3D打印领域取得突破性进展，可以更好地控制零件特性

　　作者：Alex Tyrer-Jones

　　一个由多个机构——包括美国国家标准与技术科研所（NIST）和瑞典KTH 皇家理工学院在内——组成的科研小组，宣布在激光粉末床熔融（LPBF）过程中的金属特性研究上取得了突破。

　　激光粉末床熔融（LBPF）是一种流行的金属3D 打印工艺。它采用激光束加热粉末材料床，造出一个小的熔融金属池。待这个熔池冷却后，就会形成一个3D 打印金属层。随着这一过程重复、3D 打印金属层层层叠加，最后会形成完整的3D 打印零件。打印过程中随着材料的加热和冷却，金属合金的原子会形成晶体结构。这种晶体结构最终会影响打印成品的属性和特性，包括韧性和耐腐蚀性水平。此外，不同晶体结构具有不同的优、缺点。

　　科学家们之前一直都试图制出具有特定晶体结构的预制金属。但采用金属3D 打印技术，经常无法实现科学家们理想的结果。所制出的那些具有复杂形状的零件，常因其微观晶体结构的缺点而过早开裂。

　　上述科研报告发表在3月1日出刊的《Acta Materialia》杂志上，试图揭示金属材料的不同冷却速度对晶体结构的影响。这项科研报告的一位共同作者、物理学家张帆（音译）表示：“总的来说，如果我们在打印过程的最初步骤中控制微观晶体结构，就能获得所需晶体，并最终确定增材制造零件的性能。”

　　最终，这些科研人员的发现验证了基于Kurz-Giovanola-Trivedi（KGT）的凝固模型的预测。KGT 是一个已得到广泛使用的针对合金凝固的计算模型。这项科研成果表明：增材制造专家现在可以用这个模型来有效预测和控制3D 打印金属零件的特性，提高3D 打印量产的一致性和可行性。

　　张帆说：“模型和实验数据非常吻合。我们看到这些结果时非常兴奋，如果我们有数据，就可以用它来验证模型，就能加速增材制造技术在工业上的广泛采用。”

　　使用同步加速器测量金属

　　科研小组在两台独立的粒子加速器上进行了实际测试。一台是阿贡国家实验室的高级光子源加速器，另一台是瑞士保罗·谢勒科研所（Paul Scherrer Institute）的瑞士光源加速器。

　　鉴于金属3D 打印过程中材料凝固得非常快，科研小组利用循环粒子加速器（也称同步加速器）产生的强大X 射线来收集所需数据。在实验过程中，他们在同步加速器中设置了热作钢的增材制造条件，接着用激光液化金属，产生不同的晶体结构，然后用具有足够能量和速度的X 射线束对样品进行探测，从而产生冷却过程图像。测试的冷却速度从每秒数万开尔文到超过一百万开尔文的温度不等。

　　这项科研报告的另一位共同作者、皇家理工学院材料科学和工程系副教授Greta Lindwall 表示：“同步辐射实验既耗时又昂贵，所以没法把感兴趣的每个条件都测试一遍。但同步辐射实验对于验证模型非常有用，可以用来模拟有趣的条件。” 从实验中收集的数据显示了奥氏体和高温铁素体之间的推拉关系。在这两种晶体结构中，后者与3D 打印零件开裂有关。当冷却速度超过每秒150 万开尔文（270 万华氏度）时，会观察到铁素体受到抑制，初级奥氏体出现。此实验结果与KGT 模型预测结果相符。

　　针对金属3D 打印的研究

　　针对金属3D 打印的物理学研究并不新鲜。2022 年6月，来自赫瑞瓦特大学、卡内基梅隆大学和阿贡国家实验室的科研人员探索了金属3D 打印背后的基本物理学原理，以求更好地了解3D 打印零件的缺陷。这个科研团队利用先进的成像技术来检查和记录激光粉末床熔融工艺（LBPF）期间的材料状态。赫瑞瓦特大学光子量子科学研究所副科研员Ioannis Bitharas 博士表示：“我们的科研将激光与金属粒子相互作用时存在的所有物质状态可视化了。”

　　此外，2022 年5 月，来自清华大学和新加坡国立大学的科研人员研究了流体的流动对金属3D 打印零件机械性能的影响。这个科研小组研究了枝状晶体在各种流动条件下的生长情况，明确了流体的流动和凝固速度对金属3D 打印中新晶粒和枝状晶体的形成具有重大影响。