Nature：金屬3D打印重大突破，納米成核劑+結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋁合金

下面這個(gè)技術(shù)，對(duì)于所有金屬3D打印來說都是一個(gè)非常好的思路：添加納米成核劑，和液體金屬混合來孕育晶種，精細(xì)生長(zhǎng)，最終可得到高強(qiáng)度的合金。


2017年9月21日，南極熊獲悉，著名的《Nature》雜志刊登了一項(xiàng)有關(guān)金屬3D打印技術(shù)的重大突破：美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室通過添加納米成核劑的方法，成功實(shí)現(xiàn)了Al7075、Al6061等高強(qiáng)度鋁合金的3D打印，并且打印成品強(qiáng)度和質(zhì)量都顯著提高，沒有出現(xiàn)開裂等情況。

▲圖1. TresaM. Pollock等人制作的打印件

金屬打印的過程簡(jiǎn)單來說是用一定的能量源（激光、電子束等）將金屬材料熔融再快速凝固。與傳統(tǒng)的鑄造工藝不同，打印的過程是一個(gè)非平衡凝固的過程，在這種快速凝固過程中，容易形成具有柱狀晶和周期性裂縫的微結(jié)構(gòu)。因?yàn)?D打印目前可以處理的金屬雖然已經(jīng)有了許多，但合金卻很少。超過5000多種合金由于打印過程中的熔融和固化動(dòng)力學(xué)問題，不適合被3D打印。所以，HRL實(shí)驗(yàn)室的這項(xiàng)研究可以說有能力徹底摘掉金屬3D打印“往往只能用來制造一些樣品”的帽子，將其帶入一個(gè)新紀(jì)元。

▲圖2. 3D打印的原理示意圖

▲圖3. 鋁合金7075粉末的掃描電子顯微鏡（SEM）照片

據(jù)南極熊了解，這項(xiàng)重要的研究是HRL實(shí)驗(yàn)室的TresaM. Pollock等人受熔鑄工藝啟發(fā)完成的。TresaM. Pollock等人通過將納米顆粒作為成核劑與液體金屬混合來孕育晶種，從而實(shí)現(xiàn)在溫度梯度較大和凝固速度快的非平衡條件下晶體實(shí)現(xiàn)精細(xì)生長(zhǎng)，從而提高產(chǎn)品的性能。其打印出的鋁合金7075的強(qiáng)度可以達(dá)到400MPa以上，與鍛件的性能相當(dāng)。

▲圖4.AI7075+Zr的強(qiáng)度達(dá)到400MPa以上

▲圖5 鋁合金7075的時(shí)效行為

Pollock等人還采用了類似的方法，在鋁合金粉末中引入了一種鋯基納米成核劑，相當(dāng)于對(duì)前者的表面做了修飾。最終他們發(fā)現(xiàn)，這種方法能有效抑制打印過程中的熱裂傾向，改善打印過程中由于非平衡凝固產(chǎn)生的問題，從而得到細(xì)密的等軸晶組織。

                                                         ▲ 圖6. 加入納米成核劑（右）與不加納米成核劑（左）的產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

▲圖7.凝固過程示意圖

▲圖8.鋁合金7075的EBSD分析

Pollock等人借鑒傳統(tǒng)的鑄造工藝，創(chuàng)造性地引入納米顆粒作為結(jié)晶的孕育劑，大大提高了打印鋁合金的強(qiáng)度。這種方法適合一系列合金材料和3D打印設(shè)備，具有良好的普適性，為不可焊接的超級(jí)鎳合金或鎳基間金屬提供了3D打印的可能，也可能應(yīng)用在不同的打印技術(shù)上。同時(shí)，它對(duì)熔鑄、熱壓鑄等容易產(chǎn)生熱裂和凝固裂紋問題的傳統(tǒng)工藝也具有借鑒意義。

無獨(dú)有偶，武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室激光先進(jìn)制造研究團(tuán)隊(duì)的博士生張虎、聶小佳等在朱海紅教授的指導(dǎo)下，從傳統(tǒng)鋁合金材料設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過在SLM成形高強(qiáng)鋁合金中添加微量元素的方法，獲得了致密無裂紋的試樣。在成功抑制熱裂紋的同時(shí)，SLM成形效率大幅提升；與原有粗大的柱狀晶顯微組織不同，微量元素改性后的組織為1mm量級(jí)的等軸晶；在細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的共同作用下，極限抗拉強(qiáng)度提升12%。

▲圖9.微量元素對(duì)SLM成形高強(qiáng)鋁合金裂紋、組織和力學(xué)性能的影響

延伸閱讀：《高強(qiáng)鋁合金的激光3D打印技術(shù)研究進(jìn)展》

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編譯自 3DPRINT & 納米人