17-4 PH 不銹鋼是一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼，通常用于需要高強度和適度耐腐蝕性的應用中。是一種具有高抗拉強度的材料，該牌號的強度是最常用的不銹鋼 304 和 316 的兩倍。來自美國國家標準與技術研究院 (NIST)、威斯康星大學麥迪遜分校和阿貢國家實驗室的一組研究人員已經確定了特定的 17-4 鋼成分，新發(fā)現可以幫助 17-4 PH 零件的生產商通過3D 打印來降低成本并提高制造靈活性。

stainless3D 打印的 17-4 不銹鋼的顯微圖像，顯微照片顯示 3D 打印不銹鋼內部的細長晶粒圖像左側的顏色代表合金中晶體的不同方向。© 威斯康星大學麥迪遜分校

成分配比改變打印結果

3D打印金屬特別復雜，部分原因是在此過程中溫度變化如此之快。盡管與傳統制造相比具有優(yōu)勢，但某些成分配比的3D打印可能會產生過于不一致的結果。

PBF金屬的增材制造基本上是用激光等高功率源將數百萬個微小的金屬粉末顆?！昂附印背梢粋€整體，通過將金屬粉末熔化成液體再將它們冷卻成固體，根據NIST科學家張帆，金屬3D打印的冷卻速度很高，有時甚至高于每秒一百萬攝氏度，而這種極端的非平衡條件帶來了一系列非凡的測量挑戰(zhàn)。

根據NIST科學家張帆，由于材料加熱和冷卻如此迅速，材料內原子的排列或晶體結構迅速變化，難以確定。在不了解3D打印鋼的晶體結構發(fā)生了什么的情況下，研究人員多年來一直在嘗試3D 打印17-4 PH不銹鋼，打印結果的晶體結構必須恰到好處 – 一種稱為馬氏體的材料 – 才能展示其備受追捧的材料特性。

© 3D科學谷白皮書

 XRD洞悉打印過程

那么，在快速溫度變化期間會發(fā)生什么？

為了找到一種獲得馬氏體3D打印結果的方法，研究人員利用同步加速器 X 射線衍射（或 XRD） 來觀察在毫秒內發(fā)生的結構快速變化。

通過X 射線衍射 (XRD) 觀察在毫秒內發(fā)生的結構快速變化，是材料科學和工程的一項基礎技術，提供有關明確定義的結構的信息，例如多層材料中的晶格或界面。

根據威斯康星大學麥迪遜分校機械工程陳教授，在 XRD 過程中，X 射線與材料相互作用，會形成一種信號，就像獲取與材料特定晶體結構相對應的指紋一樣。

該團隊繪制了晶體結構在3D打印過程中的變化情況，揭示了他們控制的某些因素（例如粉末金屬的成分）如何影響整個過程。

雖然鐵是 17-4 PH 鋼的主要成分，但合金的成分可以包含不同數量的多達十幾種不同的化學元素。研究人員現在以清晰的3D打印過程中的結構動力學圖像為指導，能夠微調鋼的組成，找到一組僅包括鐵、鎳、銅、鈮和鉻的成分。

成分控制確實是3D打印合金的關鍵，通過控制成分，能夠控制3D打印過程的固化方式。研究人員還表明，在很寬的冷卻速率范圍內，比如每秒 1,000 到 1000 萬攝氏度之間，成分始終能產生完全馬氏體 17-4 PH 鋼。

這項新研究也可能在 17-4 PH 鋼領域引起轟動，而且基于 XRD 的方法還可以用于優(yōu)化其他合金以進行更可預測的3D 打印，尤其是XRD 所揭示的信息可用于構建和測試旨在預測3D打印零部件質量的計算機模型。

來源：3D科學谷