English
新闻中心

技术突破:3D打印高强度无缺陷马氏体钢,达1.4GPa拉伸强度

发布时间:2020/04/29

高强度3D打印马氏体钢技术取得突破!

 

近日,顶刊《Acta Mater》发文称,得克萨斯州A&M大学的研究人员与空军研究实验室的科学家合作,现已探索出工艺,可以将马氏体钢3D打印到几乎任何形状的非常坚固、无缺陷的零件。

 

马氏体钢是什么?

 

几千年来,冶金学家一直在精心调整钢的成分以增强其性能。直到今天,有一种叫做马氏体钢的产品在其钢铁类别中脱颖而出,因为它的强度更高且更具成本效益。

 

钢是由铁和碳等冶炼而成的材料。马氏体钢是通过高温-骤冷方式制造的,这种突然的冷却过程会将碳原子限制在铁晶体内,从而使马氏体钢具备特有的强度。

△用于3D打印的马氏体钢粉。图片显示了钢粉的放大视图。

 

工业对强韧钢材的需求量很高,但它的价格实在太昂贵了。马氏体钢是一个例外,它的成本相对较低,每磅不足一美元。

 

马氏体钢非常适用于需要制造高强度、轻质零件而又不增加成本的领域,比如航空航天、汽车和国防工业等。

 

技术改良 3D打印高强度无缺陷马氏体钢

为了具有多种用途,需要根据特定应用将马氏体钢,特别是称为低合金马氏体钢的类型组装成具有不同形状和尺寸的物体。增材制造(通常称为3D打印)提供了实用的解决方案。使用这项技术,可以通过使用高能激光束按照图案将单层金属粉末加热并熔化,从而逐层构建复杂的零件。连接并堆叠所有这些层,打印出最终的3D打印对象。

 

但是,使用激光的3D打印马氏体钢会产生材料内的孔隙形式的缺陷。

 

为了解决这个问题,研究团队必须从头开始,找出能够抑制这类缺陷的激光设置。

 

在实验中,以材料科学与工程学系主任Ibrahim Karaman教授为首的团队,首先用一个现有的数学模型预测了不同激光设置下的单层马氏体钢粉末的融化情况。接着,通过比较观察到的缺陷类型、数量与模型预测值,他们对打印框架进行了改进。经过多次迭代,他们的框架就能够比较准确地作出预测了。研究人员表示,这种方法不需要额外的实验,更加省时省力。

 

△美国空军研究基地对打印样品进行了气孔、机械强度和冲击韧性等研究,显示器机械性能非常好。

 

尽管最初开发的工艺是针对马氏体钢的,但得克萨斯州A&M的研究人员表示,他们已将技术变得足够通用,因此同一3D打印管道也可以用于由其他金属和合金建造复杂的物体。

 

这对于所有类型的金属增材制造行业来说都是一项重要的发展,无论是螺丝一样简单的零件,还是到起落架、变速箱等更复杂的零件或涡轮机,未来都将变得更加精密,满足不同行业需求。