科学家成功3D打印不锈钢

一项新技术使用3D打印来制造不锈钢零件，图片显示的是火箭发动机组件。

照片来源:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

据我们的报纸报道，3D打印技术已经在全世界流行，但是目前与该技术的最佳组合是塑料和泡沫钢材料，其强度不足以满足核心材料的应用要求。今天，研究人员已经开发出一种用于坚韧和柔性不锈钢的3D打印技术。这一进展可能会带来更快、更便宜的方法来生产从火箭发动机到核反应堆和油井设备部件的一切产品。

不锈钢发明于150年前，至今仍很流行。它是通过熔化传统的钢结构制成的——它本身是铁和碳的混合物(有时也包括其他金属，如镍)，添加铬和钼是为了防止生锈和腐蚀。在不锈钢的制造过程中，一系列复杂的冷却、再加热和轧制步骤使材料的微观结构紧密排列在一起，即在合金颗粒之间形成一种蜂窝状结构。当金属被弯曲或挤压时，粒子中的原子层相互滑动，有时形成晶体缺陷，导致裂纹。然而，固体晶界可以防止这些缺陷，使材料变得坚硬，并且仍然具有足够的柔韧性以形成所需的形状。

长期以来，3D打印研究人员一直试图复制这种结构。他们的计划是从一层涂在平面上的金属合金颗粒粉末开始的。

在这项研究中，由计算机控制的高性能激光束来回扫描表面。被激光击中的粒子熔化并融合在一起。随后，该表面向下移动，然后添加另一层粉末，之后再次重复激光加热过程以将新熔化的材料粘附到下层。通过重复这种逐层添加的方法，工程师可以制造复杂的结构，如火箭发动机。

然而，这个问题仍然存在——在微观层面上，3D打印不锈钢通常是高度多孔的，这也使得它们易碎且容易破裂。

"这些钢的性能很差。"“莫里斯”王说他是加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的材料科学家。几年前，王和他的同事提出了一种利用激光和快速冷却技术将金属合金颗粒融合成致密结构的方法。

今天，他们通过设计一个计算机控制的程序来扩展这项工作，不仅制造致密的不锈钢层，而且更严格地控制这些材料的结构——从纳米尺度到微米尺度。这使得3D打印机可以在各种规模上构建微小的细胞壁结构，以防止破裂和其他常见问题。

试验表明，在一定条件下，最终的3D打印不锈钢材料的强度比传统工艺生产的不锈钢高3倍，且仍具有韧性。

科学家在10月30日出版的《自然材料》杂志上报道了研究结果。

“他们正在做的事情真令人兴奋。”宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的机械工程师拉胡尔·帕纳特说。此外，Panat还指出，王和他的同事使用商用3D打印机和激光设备完成了这项工作。这使得其他研究团队有可能迅速效仿他们，生产各种高强度不锈钢部件——从飞机燃料箱到核电站的压力管道。同时，它也可能增加人们对3D打印的热情。

3D打印是快速原型技术之一。这是一种基于数字模型文件的技术，它使用粉末金属或塑料和其他粘合材料通过逐层印刷来构建物体。3D打印通常通过使用数字技术材料打印机来实现。它通常用于模具制造、工业设计等领域来制造模型，然后逐渐用于一些产品的直接制造。用这种技术印刷的零件已经出现了。该技术应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和建筑、汽车、航空航天、牙科和医疗行业、教育、地理信息系统、土木工程、火器等领域。(赵茜·Xi)

中国科学新闻(2017-102第二版国际版)