高強(qiáng)度3D打印馬氏體鋼技術(shù)取得突破！這項(xiàng)技術(shù)是美國(guó)德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家合作的結(jié)果，可能會(huì)在航空航天、汽車(chē)和國(guó)防工業(yè)中得到應(yīng)用。

用于3D打印的馬氏體鋼粉。插圖顯示了鋼粉的放大視圖。

幾千年來(lái)，冶金學(xué)家一直在精心調(diào)整鋼的成分以增強(qiáng)其性能。直到今天，有一種叫做馬氏體鋼的產(chǎn)品在其鋼鐵類(lèi)別中脫穎而出，因?yàn)樗膹?qiáng)度更高且更具成本效益。

馬氏體鋼非常適用于航空航天，汽車(chē)和國(guó)防工業(yè)等需要制造高強(qiáng)度、輕質(zhì)零件而又不增加成本的應(yīng)用。但是，對(duì)于這些和其他應(yīng)用，必須將金屬構(gòu)建為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)將強(qiáng)度和耐用性損失降至最低。得克薩斯州A＆M大學(xué)的研究人員與空軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作，現(xiàn)已探索出工藝，可以將馬氏體鋼3D打印到幾乎任何形狀的非常堅(jiān)固、無(wú)缺陷的零件。

一種低合金馬氏體鋼，AF9628，由于形成了ε－碳化物相，其強(qiáng)度大于1．5 GPa，拉伸延展性超過(guò)10％。使用研究選擇性激光熔化（SLM）對(duì)這種新型鋼的組織和力學(xué)性能的影響。介紹了一種用于確定無(wú)孔零件制造過(guò)程參數(shù)的優(yōu)化工藝。該工藝?yán)昧擞?jì)算成本低廉的Eagar－Tsai模型，并通過(guò)單軌實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了校準(zhǔn)，預(yù)測(cè)熔池的幾何形狀。為了避免在打印部件中產(chǎn)生由熔合引起的孔隙率，還開(kāi)發(fā)了一種用于確定最大允許艙口間距的幾何標(biāo)準(zhǔn)。使用該工藝，可以在各種工藝參數(shù)上成功制造出全密度樣品，從而可以構(gòu)建AF9628的SLM工藝圖。打印后的樣品顯示出高達(dá)1．4 GPa的拉伸強(qiáng)度，這是迄今為止任何3D打印合金中報(bào)道的最高強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率高達(dá)11％。在保持全密度的同時(shí)，在工藝參數(shù)選擇方面表現(xiàn)出的靈活性也為局部微結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供了可能性，以改善打印零件的機(jī)械性能。

雪佛龍一世教授兼材料部負(fù)責(zé)人易卜拉欣·卡拉曼說(shuō)：“強(qiáng)韌鋼具有廣泛的應(yīng)用，但最堅(jiān)固的鋼通常很昂貴，其中一個(gè)例外是相對(duì)便宜的馬氏體鋼，每磅成本不到一美元。” “我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種工藝，以便可以將這些硬鋼進(jìn)行3D打印成任何所需的幾何形狀，并且最終的物體幾乎沒(méi)有缺陷。”

盡管最初開(kāi)發(fā)的工藝是針對(duì)馬氏體鋼的，但得克薩斯州A＆M的研究人員表示，他們已將技術(shù)變得足夠通用，因此同一3D打印管道也可以用于由其他金屬和合金建造復(fù)雜的物體。這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在 2019年 12月的“ Acta Materialia ”雜志上 ，題目是“An ultra－h(huán)igh strength martensitic steel fabricated using selective laser melting additive manufacturing： Densification， microstructure， and mechanical properties”

鋼由鐵和少量其他元素（包括碳）制成。當(dāng)將鋼加熱到極高的溫度然后迅速冷卻時(shí)，就會(huì)形成馬氏體鋼。突然的冷卻自然地將碳原子限制在鐵晶體中，使馬氏體鋼具有其標(biāo)志性的強(qiáng)度。

為了具有多種用途，需要根據(jù)特定應(yīng)用將馬氏體鋼，特別是稱(chēng)為低合金馬氏體鋼的類(lèi)型組裝成具有不同形狀和尺寸的物體。那時(shí)，增材制造（通常稱(chēng)為3D打印）提供了實(shí)用的解決方案。使用這項(xiàng)技術(shù)，可以通過(guò)使用高能激光束按照?qǐng)D案將單層金屬粉末加熱并熔化，從而逐層構(gòu)建復(fù)雜的零件。連接并堆疊的所有這些層打印出最終的3D打印對(duì)象。

但是，使用激光的3D打印馬氏體鋼會(huì)產(chǎn)生材料內(nèi)的孔隙形式的缺陷。

卡拉曼說(shuō)：“孔隙是微小的孔，即使3D打印所用的原材料非常堅(jiān)固，它們也可以大大降低最終3D打印對(duì)象的強(qiáng)度。” “要找到新型馬氏體鋼的實(shí)際應(yīng)用，我們需要回到基礎(chǔ)源頭上，研究哪種激光設(shè)置可以防止這些缺陷。”

美國(guó)空軍研究基地對(duì)AF9628 打印樣品進(jìn)行了氣孔、機(jī)械強(qiáng)度和沖擊韌性等研究，顯示器機(jī)械性能非常好

對(duì)于他們的實(shí)驗(yàn)，Karaman和Texas A＆M團(tuán)隊(duì)首先選擇了一個(gè)受焊接啟發(fā)的現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測(cè)在不同的激光速度和功率設(shè)置下，單層馬氏體鋼粉將如何熔化。通過(guò)將他們?cè)趩螚l熔融粉末中觀察到的缺陷的類(lèi)型和數(shù)量與模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，他們可以略微更改其現(xiàn)有參數(shù)，從而改善后續(xù)的預(yù)測(cè)。

經(jīng)過(guò)幾次這樣的迭代之后，如果一組未經(jīng)測(cè)試的新激光設(shè)置會(huì)導(dǎo)致馬氏體鋼中的缺陷，那么它們的工藝就可以正確預(yù)測(cè)，而無(wú)需進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)。研究人員表示，這樣會(huì)更省時(shí)。

美國(guó)空軍研究基地對(duì)打印的AF9628部件進(jìn)行熱分析

“測(cè)試激光設(shè)置的整個(gè)范圍以評(píng)估哪些設(shè)置可能導(dǎo)致缺陷是非常耗時(shí)的，有時(shí)甚至是不切實(shí)際的，” 工程學(xué)院的研究生，該研究的主要作者Raiyan Seede說(shuō)。。“通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和建模，我們能夠開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單，快速，循序漸進(jìn)的程序，可用于確定哪種設(shè)置最適合馬氏體鋼的3D打印。”

Seede還指出，盡管制定了指導(dǎo)方案以確保可以打印不變形的馬氏體鋼，但其工藝可以用于與任何其他金屬一起打印。他說(shuō)，這種擴(kuò)展的應(yīng)用是因?yàn)樗鼈兊目蚣芸梢赃m應(yīng)任何給定金屬的單軌實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。

卡拉曼說(shuō)：“盡管我們從專(zhuān)注于馬氏體鋼的3D打印開(kāi)始，但此后我們創(chuàng)建了一個(gè)更通用的打印方案。” “此外，我們的指南簡(jiǎn)化了3D打印金屬的工藝，使最終產(chǎn)品沒(méi)有氣孔，這對(duì)于所有類(lèi)型的金屬增材制造行業(yè)來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)重要的發(fā)展，無(wú)論是螺絲一樣簡(jiǎn)單的零件，還是到起落架、變速箱等更復(fù)雜的零件或渦輪機(jī)。”

這項(xiàng)研究的其他貢獻(xiàn)者包括材料科學(xué)與工程系的Austin Whitt和RaymundoArróyave。工業(yè)和系統(tǒng)工程系的 David Shoukr，Bing Zhang和Alaa Elwany ；佛羅里達(dá)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的Sean Gibbons和Philip Flater。這項(xiàng)研究由陸軍研究辦公室和空軍研究實(shí)驗(yàn)室資助。