美国NIST顶刊丨3D打印马氏体不锈钢17-4PH，性能与传统制造相当

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相变动力学指导下的增材制造用合金开发

关键词：增材制造；激光加工；相变；同步辐射X射线衍射；17-4PH 不锈钢

近日，美国国家标准与技术研究院(NIST)、阿贡国家实验室和威斯康星大学麦迪逊分校的学者确定了一种特定的 17-4 钢成分，该成分在打印时与传统生产的零件表现出的性能相当。相关研究成果在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》(SCI一区，IF: 11.632) 上发表论文“Phase transformation dynamics guided alloy development for additive manufacturing” (中文：相变动力学指导下的增材制造用合金开发)

基于熔融的增材制造（AM），例如激光粉末床熔融（LPBF）、定向能量沉积（DED）可以定制生产几何和成分复杂的零件，使其具有前所未有的功能和性能。然而，由于局部热源与材料相互作用所固有的复杂且经常是极端的热条件，对稳定地在打印件中获得所需的相构成了相当大的挑战，特别是对于在AM制造过程中具有多阶段相变的材料（如钢、钛合金、镍超合金）。这些挑战经常表现在三个方面：（1）由于快速的冷却速度，AM凝固发生在远离平衡点，导致相变的顺序/时间偏离平衡相图。(2) 熔池不同位置的加热/冷却条件是不均匀的，导致单一熔池内出现不同的相构成。(3) 不同的机器、同一批次的不同部件、甚至一个部件中的不同区域的热条件都是不同的，导致不同打印品的相构成不一致。

△Graphical Abstract

材料强度和耐用性对于货船、客机、核电站和其他关键技术至关重要。这就是为什么研究人员要研发这种称为不锈钢（17-4 沉淀硬化 (PH)）的极其坚固且耐腐蚀的合金。这是首次，17-4 PH 钢可以在保持其优势特性的同时可靠地进行 3D 打印。

△3D 打印的 17-4 不锈钢的显微图像。图像左侧版本中的颜色代表合金中晶体的不同方向

3D打印相对于传统制造具有优势，然而，某些材料的 3D 打印会产生与特定应用不兼容的结果。打印金属很复杂，因为在此过程中温度变化很快。当适用金属材料进行增材制造时，我们实际上是使用激光等高功率源将数百万个微小的粉末颗粒焊接成一个整体，将它们熔化成液体并将它们冷却成固体。但冷却速度很高，有时甚至高于每秒一百万摄氏度，这种极端的非平衡条件带来了一系列测量挑战。材料中原子的组织或晶体结构变化很快，由于其温度快速变化，因此难以确定。研究人员一直在努力对 17-4 PH 进行 3D 打印，这种材料的晶体结构必须精确正确才能显示出其非常理想的特性。

△激光熔化后17-4的相变动态

研究最大的问题是研究人员不了解打印时钢的晶体结构会发生什么变化。所以，针对此问题，这些研究人员将问题聚焦于“快速温度波动期间晶体结构会发生什么变化”，并确定加速内部结构转变的策略。科学家们需要专门的设备来在几毫秒内捕捉到深刻的结构变化。研究人员使用有关打印过程的高速数据开发了他们的技术，这些观察结果可以帮助 17-4 PH 零件的生产商使用 3D 打印来降低成本并增强其制造多功能性。他们发现同步加速器 X 射线衍射 (XRD) 是这项工作的理想技术。在 XRD 中，X 射线与材料相互作用，会形成一个信号，就像指纹一样，对应于材料的特定晶体结构。研究人员在高级光子源 (APS) 打印时将高能 X 射线粉碎到钢样品中，APS 是能源部阿贡国家实验室的强大光源。使用上述仪器，作者在打印过程中描绘了晶体结构的演变，展示了其控制范围内的元素（例如金属粉末的成分）如何影响整个过程。

尽管铁是 17-4 PH 钢的关键成分，但合金的成分可能含有多种化学元素。研究人员对打印过程中的结构动力学有了生动的了解。他们调整了钢的成分，以确定一组有效的成分，包括镍、铁、铌、铜和铬。成分控制确实是 3D 打印合金的关键。通过控制成分，研究人员能够控制材料的固化方式。研究还表明，在很宽的冷却速率范围内，例如每秒 1,000 到 1,000 万摄氏度之间，材料的成分始终能产生完全马氏体 17-4 PH 钢。

△材料成分

该研究的影响可能超出 17-4 PH 钢。从基于 XRD 的方法获得的信息，可用于开发和测试，可以预测打印物品质量和优化其他合金。研究人员指出，他们所研发的 17-4 可靠且可重复，降低了商业使用的门槛。如果他们遵循这种组合，制造商应该能够打印出 17-4 金属结构，这些结构与传统制造的零件一样好。

丨引用格式

Q Guo, M Qu, CA Chuang, L Xiong, et al. Phase transformation dynamics guided alloy development for additive manufacturing . Additive Manufacturing 59: 103068 (2022).

丨原文下载链接

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103068

来源：增材制造硕博联盟

Additive 化学航空航天增材焊接材料控制

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首次发布时间：2023-03-19