一臺3D打印機的特寫照片 圖片來源：RodrigoEM/iStock

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來自美國國家標準與技術研究所（NIST）、威斯康星大學麥迪遜分校和美國阿貢國家實驗室的研究人員已經制造出特定的17-4鋼成分。當3D打印出來時，它們與傳統制造的版本的特性相匹配。

這項研究的結果發表在《增材制造》（Additive Manufacturing）11月刊上。他們使用粒子加速器的高能X射線來獲取數據。

美國國家標準與技術研究所（NIST）的新聞稿里說，強度和耐力對核電站、貨船、飛機和其他關鍵技術至關重要。出于這個原因，許多產品都是由特別耐用的17-4沉淀硬化（PH）不銹鋼合金制成的。現在，17-4 PH鋼第一次可以被可靠地3D打印出來，同時保持其有益的特性。

這些最新的研究可能會使3D打印對17-4PH不銹鋼物品的制造商來說更具成本效益和靈活性。本研究中用于調查該物質的方法也可能為更好地理解如何打印各種物質并預測其質量和性能奠定基礎。

“當你想到金屬的增材制造時，我們基本上是用激光等高功率源將數百萬微小的粉末狀顆粒焊接成一塊，將它們融化成液體并冷卻成固體，”研究報告的共同作者、美國國家標準與技術研究所（NIST）的物理學家張帆（音）說。

“但是冷卻速度很高，有時高于每秒100萬攝氏度，這種極端的非平衡狀態造成了一系列非同尋常的測量挑戰。”

在快速溫度變化期間會發生什么？

研究人員開始探索他們可以做些什么來了解在快速溫度變化過程中發生的情況，并將內部結構導向馬氏體。

為了檢查在幾毫秒內發生的快速結構變化，研究人員需要專門的工具。他們發現同步輻射X射線衍射，或稱XRD，是最理想的技術。

“在X射線衍射中，X射線與材料相互作用，將形成一個信號，就像對應于材料特定晶體結構的指紋，”華盛頓大學麥迪遜分校機械工程教授、研究報告共同作者陳聯誼（音）說。

作者能夠對鋼的成分進行微調，找到一組僅由鐵、鎳、銅、鈮和鉻組成的有效成分，因為他們現在對3D打印過程中的結構動力學有了很好的了解，可以作為參考。

“成分控制確實是3D打印合金的關鍵。通過控制成分，我們能夠控制它的凝固方式。”張說：“我們還表明，在廣泛的冷卻速率范圍內，例如每秒1000到1000萬攝氏度之間，我們的成分方案始終帶來完全馬氏體的17-4 PH鋼。”

最近的工作可能對17-4 PH鋼以外的材料也有影響。從基于X射線衍射的方法中獲得的信息可能被用來開發和測試計算機模型，以預測3D打印物品的質量，以及優化其他合金的3D打印。

“我們的17-4（PH鋼）是可靠和可復制的，這降低了商業使用（3D打印技術）的門檻。”陳說：“如果他們遵循這種構成方案，制造商應該能夠打印出與傳統制造的零件一樣好的17-4鋼結構。”

論文摘要：

基于融合的增材制造技術能夠制造出傳統制造方法無法實現的幾何結構和成分上復雜的部件。然而，非均勻和遠不平衡的加熱/冷卻條件對在打印成品中持續獲得理想相位構成了重大挑戰。在這里，我們報告一個由原位高速、高能、高分辨率X射線衍射所揭示的相變動力學引導的馬氏體不銹鋼的發展。這樣產生的不銹鋼在廣泛的冷卻速率（100-10000000℃/s）范圍內始終形成理想的全馬氏體結構，這使得直接打印具有全馬氏體結構的零件成為可能。打印后的材料表現出1157±23MPa的屈服強度，與沉淀硬化熱處理后的鍛造材料相當。這種打印出的特性歸因于完全的馬氏體結構和在增材制造過程中內在的熱處理過程中形成的精細沉淀物。這里展示的相變動力學指導下的合金產生策略為開發可靠的、高性能的增材制造專門合金開辟了道路。

關鍵詞： 不銹鋼的 的情況下