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科學家成功3D打印不銹鋼強度是傳統鋼材3倍

2017-11-02 14:33:43 作者：本網整理來源：中國科學報分享至：

一項新技術利用3D打印制造不銹鋼部件，圖為火箭發動機組件。

圖片來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

3D打印技術已然風靡全球，但目前與這項技術結合最好的是塑料和泡沫鋼材料，而這些材料卻不夠結實，不能滿足核心材料的應用需求。如今，研究人員已經開發出了一種3D打印堅韌和靈活的不銹鋼的技術，這一進步可能會帶來更快、更廉價的方法，從而制造出從火箭發動機到核反應堆和油井設備零部件的所有產品。

不銹鋼是在150年前發明的，至今仍廣受歡迎。它是由傳統的鋼結構熔化而成的——其自身是鐵和碳（有時是其他金屬，如鎳）的混合物，并加入鉻和鉬，用以防止生銹和腐蝕。在不銹鋼的制造過程中，一系列復雜的冷卻、再加熱和軋制的步驟，使得材料的微觀結構緊密地排列在一起，即合金的顆粒與顆粒之間形成了一種類似于細胞的結構。當金屬被彎曲或受壓時，顆粒中的原子層彼此滑動，有時會形成晶質缺陷，從而導致裂紋的產生。但是牢固的顆粒邊界可以阻止這些缺陷，使材料變得堅硬，并且仍然足夠靈活，形成一個想要的形狀。

長期以來，3D打印研究人員一直試圖復制這種結構。他們的計劃始于一個涂抹在平整表面上的金屬合金顆粒粉層。

在這項研究中，一種由計算機控制的高性能激光束在表面上來來回回地掃描。被激光擊中的顆粒熔化并融合在一起。隨后，這一表面向下移動，緊接著，另一層粉末被添加進來，之后，激光加熱過程再次重復，將新熔化的材料粘在下面的一層上。通過重復這種逐層添加法，工程師們可以制造復雜的結構，比如火箭發動機。

然而問題依然存在——在微觀層面上，3D打印的不銹鋼通常都是高孔隙度的，這也使得它們很脆弱并且容易斷裂。

“這些鋼材的性能很糟糕。”Yinmin “Morris” Wang說，他是美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的材料科學家。幾年前，Wang和他的同事提出了一種方法，利用激光和一種快速冷卻的技術將金屬合金粒子融合在一個密集而緊湊的結構中。

如今，他們通過設計一個由計算機控制的程序擴展了這項工作，使其不僅能夠制造致密的不銹鋼層，而且可以更為嚴格地控制這些材料的結構——從納米級到微米級。這就使得3D打印機可以在每一個尺度上構建微小的細胞壁式結構，從而防止破裂和其他常見問題。

測試表明，在某些條件下，最終的3D打印不銹鋼材料的強度要比傳統工藝生產的不銹鋼高3倍且仍然具有韌性。

科學家在10月30日出版的《自然—材料》雜志上報道了這一研究成果。

“他們所做的事情真的很令人興奮。”賓夕法尼亞州匹茲堡市卡內基·梅隆大學機械工程師Rahul Panat說。此外，Panat指出，Wang和他的同事使用了一種在市場上可以買到的3D打印機和激光設備完成了這項工作。這使得其他研究團隊很可能迅速效仿他們的做法，制造出各種各樣的高強度不銹鋼部件——從飛機的油箱到核電站的壓力管。同時，還可能增加人們對3D打印的熱情。

3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的，常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件出現。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支等領域都有所應用。

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責任編輯：殷鵬飛

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