对于客机、货船、核电站和其他关键技术来说，强度和耐久性是必不可少的。这就是为什么许多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，有史以来第一次，17- 4ph的钢可以持续3d打印，同时保留其良好的特性。

来自美国国家标准与技术研究所(NIST)、威斯康星大学麦迪逊分校和阿贡国家实验室的一组研究人员已经确定了特定的17-4种钢成分，当打印时，其性能与传统制造版本相匹配。研究人员的策略是基于使用粒子加速器的高能x射线获得的打印过程的高速数据。

新的发现可以帮助17-4 PH值零件的生产商使用3D打印来降低成本，增加他们的制造灵活性。本研究中用于检测材料的方法也可能为更好地理解如何打印其他类型的材料和预测它们的性能和性能奠定基础。

尽管3d打印比传统制造有优势，但某些材料的打印结果对某些应用来说太不一致了。打印金属尤为复杂，部分原因是在这个过程中温度的变化非常迅速。

NIST的物理学家、该研究的合著者张凡(Fan Zhang)说:“当你想到金属的增材制造时，我们基本上是用激光等高能源将数百万微小的粉状颗粒焊接成一块，将它们熔化成液体，然后冷却成固体。”“但冷却速度很高，有时会超过每秒100万摄氏度，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。”

张说，由于材料的加热和冷却非常迅速，材料内部原子的排列或晶体结构变化很快，很难确定。在不了解钢在打印时晶体结构发生了什么变化的情况下，研究人员多年来一直致力于3d打印17-4 PH值的钢，在3d打印中晶体结构必须是正确的——一种被称为马氏体的类型——以便该材料展示其备受欢迎的性能。

这项新研究的作者旨在阐明在快速温度变化过程中会发生什么，并找到一种方法来驱动内部结构向马氏体方向发展。

就像需要一台高速摄像机来观察蜂鸟拍打的翅膀一样，研究人员需要特殊设备来观察结构在毫秒内发生的快速变化。他们找到了用于同步x射线衍射(XRD)的正确工具。

“在x射线衍射中，x射线与材料相互作用，将形成一个信号，就像与材料的特定晶体结构相对应的指纹，”威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授、研究合著者陈连义(Lianyi Chen)说。

在美国能源部阿贡国家实验室的高级光子源(APS)，一种强大的光源，作者在打印过程中将高能x射线粉碎在钢铁样品中。

作者绘制出了晶体结构在打印过程中的变化，揭示了他们所控制的某些因素是如何影响整个过程的，比如粉末金属的成分。

点击在这里观看有关该过程的视频。

虽然铁是17- 4ph钢的主要成分，但合金的成分可以包含不同数量的多达12种不同的化学元素。作者们现在有了印刷过程中结构动态的清晰图像作为指导，能够微调钢的组成，找到一组只包括铁、镍、铜、铌和铬的成分，从而达到目的。

“成分控制确实是3d打印合金的关键。通过控制成分，我们能够控制它的固化方式。我们还表明，在较宽的冷却速率范围内，比如在每秒1000到1000万摄氏度之间，我们的成分可以持续生成完全马氏体17-4 PH值的钢。”

作为奖励，一些成分会形成强度诱导纳米颗粒，用传统方法，需要将钢冷却，然后再加热。换句话说，3D打印可以让制造商跳过一个需要特殊设备、额外时间和生产成本的步骤。

力学测试表明，3d打印的钢具有马氏体结构和诱导强度的纳米颗粒，其强度与传统方法生产的钢相当。

这项新研究可能会在17- 4ph的钢之外引起轰动。这种基于xrd的方法不仅可以用来优化其他用于3D打印的合金，而且它所揭示的信息也可以用于构建和测试计算机模型，用来预测打印零件的质量。

“我们的17-4是可靠的和可复制的，这降低了商业使用的障碍。如果他们遵循这一组成，制造商应该能够打印出17-4个结构，与传统制造的部件一样好，”陈说。

NIST
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