金屬3D打印技術(shù)，在提高設(shè)計(jì)自由度和制造靈活性方面具有很大優(yōu)勢，現(xiàn)已在航空航天零部件、醫(yī)療植入物等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。目前只有少數(shù)合金材料能夠可靠用于金屬3D打印技術(shù)，如Inconel 718、TiAl6V4、CoCr、AlSi10Mg。

超過5,500種合金材料中，絕大多數(shù)材料仍然無法通過金屬3D打印技術(shù)制造。美HRL實(shí)驗(yàn)室指出，影響合金材料在增材制造工藝中使用的原因無外乎是打印過程中材料的熔融和凝固產(chǎn)生了具有大柱晶粒和周期性裂紋的微觀結(jié)構(gòu)。HRL實(shí)驗(yàn)室表示，通過在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來解決這一問題。

HRL 實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究論文3D printing of high-strength aluminium alloys發(fā)表在今年9月21日的《自然》雜志中。

在研究中，科研人員使用的鋁合金材料為Al7075和Al6061。在激光高能環(huán)境中進(jìn)行金屬3D打印會導(dǎo)致金屬部件遭受嚴(yán)重?zé)崃鸭y，為此HRL實(shí)驗(yàn)室研究的首要目標(biāo)是弄清楚如何徹底消除熱裂紋。

通過選擇性激光熔化技術(shù)進(jìn)行金屬合金的增材制造

HRL 的思路是控制微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)晶體學(xué)信息選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組裝到了7075和6061系列鋁合金粉末中。

增材制造金屬原材料的納米顆粒組裝

在用成核劑進(jìn)行功能化之后，HRL 的研究人員發(fā)現(xiàn)這些先前與增材制造不相容的高強(qiáng)度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設(shè)備進(jìn)行成功的加工。成型后的材料無裂紋，等軸（其長度，寬度和高度上的晶粒大致相等），實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度。

增材制造鋁合金的凝固行為

HRL 實(shí)驗(yàn)室表示該技術(shù)可用于研發(fā)更多種類的3D打印合金粉末材料，這些材料不僅能應(yīng)用在粉末床選擇性激光熔化3D打印設(shè)備，還能用于粉末床電子束熔化和基于定向能量沉積3D打印技術(shù)的設(shè)備中。

該方式將使金屬3D打印設(shè)備能夠加工更多的合金材料，并擴(kuò)展金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。例如，能夠加工鎳超合金和金屬間化合物。此外，該技術(shù)還可用于接合，鑄造及注射成型這些傳統(tǒng)加工技術(shù)中，在使用這些技術(shù)加工的過程中也存在凝固裂紋和熱撕裂等問題。

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