近日，來自澳大利亞昆士蘭大學張明星教授團隊聯合莫納什大學、紐卡斯爾大學、澳大利亞ANSTO中心及南方科技大學的學者，在國際頂尖期刊《Nature Communications》發表了最新研究成果“High performance plain carbon steels obtained through 3D-printing”。他們利用先進的3D打印技術，成功將歷史悠久的碳素鋼材料轉化為高強度、高韌性的現代工程材料。

文章的第一作者譚啟玚博士表示：“這項研究不僅證明了3D打印技術在傳統材料創新中的巨大潛力，也為實現可持續發展的材料設計提供了全新思路。”

過去一個世紀，為滿足工業對強度、韌性等性能的需求，工程金屬材料的設計逐漸走向復雜化。例如，鋼鐵材料中添加了大量合金元素以優化微觀結構和性能。然而，合金成分的復雜化不僅提高了成本，還導致資源依賴性增強、回收難度加大，甚至存在供應鏈風險等隱患。因此，“材料簡化”這一理念逐漸受到關注，即通過減少合金成分復雜度，探索簡單材料體系在滿足性能需求的同時降低成本和環境影響的可能性。

該團隊采用激光粉末床熔融（L-PBF） 3D打印技術，充分利用其高速冷卻（10?~10? K/s）的特性，將最簡單的鐵-碳成分設計轉化為高性能的工程材料。他們發現，打印過程中局部微熔池的快速凝固可直接生成超細馬氏體和納米貝氏體組織，避免了傳統冶金中需要額外合金化以及熱處理才能獲得的微觀結構。同時，通過調控打印參數，團隊實現了材料性能的定制化，為工程應用提供了靈活選擇。

研究中，團隊以打印一個幾何復雜的1080碳素鋼齒輪為例進行說明（如圖1所示）。傳統淬火技術無法在如此復雜的結構中實現均勻硬化，但3D打印技術憑借逐層冷卻特性輕松解決了這一問題，使齒輪具備優異的力學性能和結構完整性。為了進一步驗證3D打印的性能優勢，團隊制作了一個L形1080鋼部件，并對比了傳統淬火處理和3D打印的效果。傳統淬火導致了明顯的裂紋和幾何變形，而3D打印件則完全避免了這些問題，展現了3D打印技術在復雜部件中的優勢。

圖1、傳統方法與金屬3D打印在AISI 1080碳素鋼淬透性方面的表現：(a) 激光粉末床熔融（L-PBF）金屬3D打印工藝示意圖，其中插圖 (a1) 展示了1080鋼粉末原料的形貌。(b) 放大圖展示了(a)標記區域的典型“魚鱗狀”熔池結構。(c) 使用1080鋼粉末通過L-PBF工藝打印的斜齒輪，圖中顯示了坐標系統表示的平面方向（Z軸為打印方向）。(d) 齒輪在XZ平面（上方）和XY平面（下方）的截面硬度分布，箭頭標示了(c)中的測量位置。(e) 標準Jominy端淬測試的示意圖。(f) 傳統鍛造1080鋼Jominy端淬樣品和3D打印1080鋼Jominy端淬樣品的硬度分布。(g) 1080鋼L形演示件，經過傳統水淬處理后產生的變形和裂紋，如 (g1) 的光學顯微圖所示。(h) 對比之下，3D打印樣品具有無裂紋且無變形的結構完整性，如 (h1) 的光學顯微圖所示。(i) 不同激光能量輸入條件下3D打印1080鋼的致密化行為和硬度分布。

圖2、機械性能： (a) 不同激光能量輸入條件下3D打印1080鋼的典型工程拉伸應力-應變曲線，插圖和箭頭顯示了樣品的截面方向和打印方向（BD）。(b) 不同激光能量輸入條件下3D打印1040鋼的典型工程拉伸應力-應變曲線，插圖同樣顯示了樣品的截面方向和打印方向（BD）。(c, d) 阿什比圖，展示3D打印(c)1080鋼和(d)1040鋼的機械性能，與傳統鍛造同級鋼材相比。(e, f) 阿什比圖對比3D打印碳素鋼與典型商業化超高強度鋼（UHSS）的機械性能，(e) 顯示屈服強度與延伸率的關系，(f) 顯示屈服強度與沖擊能量的關系。(g) 阿什比圖比較3D打印碳素鋼與其他3D打印UHSS的機械性能，展示了不同加工條件下的性能組合。

這項研究巧妙利用3D打印技術的微區融化及快速冷卻特性，實現了碳素鋼微觀組織的顯著優化。通過調整打印參數，研究人員成功在最簡單的鐵-碳合金體系中獲得了性能媲美甚至超越復雜合金鋼的機械性能。并且，他們通過這項技術避免了傳統熱處理可能引發的裂紋和變形問題，為工程領域提供了一種高效的材料解決方案。

1、簡化合金設計：無需復雜的化學成分，僅通過鐵和碳實現卓越性能。

2、突破性性能：3D打印碳素鋼的強度和韌性超越了一些傳統超高強度合金鋼。

3、環保與可持續性：減少稀有合金元素的使用，推動材料的可回收性和資源安全性。

這一突破性研究為未來高性能材料的設計和制造提供了全新方向，同時彰顯了傳統材料在現代技術加持下煥發出的巨大潛能。全文及所附支持材料見https://doi.org/10.1038/s41467-024-54507-4