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图1 3D打印17-4不锈钢的显微图像。图像左侧的颜色表示合金中晶体的不同方向。来源：NIST不同冷却速率下UW_17-4的相位演化。分析激光熔化后UW_17-4的相演变。在激光熔化过程中表征商业增材制造的17-4不锈钢（C_17-4）的相变动力学。在各种冷却速率下固化UW_17-4的微观结构。
长三角G60激光联盟导读
据悉，对于客机、货船、核电站和其他关键技术而言，强度和耐久性至关重要。这就是为什么许多钢中含有一种非常坚固和耐腐蚀的合金，称为17-4沉淀硬化（PH）不锈钢。现在，17-4 PH钢有史以来第一次可以在保持其良好特性的同时进行一致的3D打印。
最近，来自《Additive Manufacturing》杂志发表了一篇文章，解释了一项研究。研究表示，研究人员已经确定了特殊的17-4钢成分，这些成分在打印时与传统制造版本的性能相匹配。该研究来自美国国家标准与技术研究所（NIST）、Wisconsin大学Madison分校和Argonne国家实验室的研究人员团队。
上图为本研究中的3D打印17-4不锈钢的显微图像。图片显示，有一种方法可以帮助生厂商使用3D打印来降低成本。该研究中的方法可以更好地为理解如何打印其他类型的材料，以及了解其特性和性能打基础。
研究人员之一、NIST物理学家Fan Zhang说：“金属的增材制造基本上是用激光等高功率源将数百万微小的粉末颗粒焊接成一块，将其熔化成液体并冷却成固体。但冷却速度很高，有时高于每秒一百万摄氏度，这种极端的非平衡状态给测量带来了一系列非同寻常的挑战。”
由于不了解钢在打印时的晶体结构发生了什么变化，研究人员多年来一直在努力3D打印17-4 PH，其中晶体结构必须恰好——一种称为马氏体的材料，才能展示其备受追捧的性能。
这项新研究的作者旨在阐明快速温度变化期间发生的情况，并找到一种将内部结构推向马氏体的方法。正如需要高速摄影机才能看到蜂鸟拍打翅膀一样，研究人员也需要特殊设备来观察结构在毫秒内发生的快速变化。他们在同步辐射X射线衍射（XRD）中找到了合适的工具。
在Argonne国家实验室（Argonne National Lab）的1100米长的粒子加速器——先进光子源（APS），研究人员在打印过程中将高能X射线射入钢样品。
虽然铁是17-4 PH钢的主要成分，但合金的成分可能含有不同数量的多达十几种不同的化学元素。作者们现在掌握了印刷过程中结构动力学的清晰图片作为指导，能够微调钢的组成，找到一组成分，仅包括铁、镍、铜、铌和铬。
Zhang说：“成分控制确实是3D打印合金的关键。通过控制成分，我们能够控制它的凝固方式。我们还表明，在广泛的冷却速度范围内，比如每秒1000到1000万摄氏度之间，我们的成分始终如一地生成全马氏体17-4 PH钢。”
力学测试表明，3D打印钢具有马氏体结构和强度诱导纳米颗粒，与通过传统方法生产的钢的强度相匹配。
这项新的研究也可能会对17-4 PH钢产生影响。基于XRD的方法不仅可以用于优化其他合金的3D打印，而且它所揭示的信息可以用于构建和测试用于预测打印部件质量的计算机模型。
来源：Phase transformation dynamics guided alloy development for additive manufacturing, Additive Manufacturing (2022). DOI: 10.1016/j.addma.2022.103068
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