對于客機、貨船、核電站和其他關(guān)鍵技術(shù)而言，強度和耐久性至關(guān)重要。這就是為什么許多鋼中含有一種非常堅固和耐腐蝕的合金，稱為17-4沉淀硬化（PH）不銹鋼。現(xiàn)在，17-4 PH鋼可以在保持良好特性的同時進行3D打印。

來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和阿貢國家實驗室的研究人員團隊已經(jīng)確定了特殊的17-4鋼成分，這些成分在打印時與傳統(tǒng)制造版本的性能相匹配?！对霾闹圃臁冯s志描述了研究人員的策略，該策略基于他們使用粒子加速器的高能X射線獲得的在打印過程的高速數(shù)據(jù)。

這項研究新發(fā)現(xiàn)可以幫助17-4 PH零件的生產(chǎn)商，使用3D打印降低成本并提高制造靈活性。研究中用于檢查材料的方法，也可以為更好地理解如何打印其他類型的材料奠定基礎(chǔ)。盡管3D打印與傳統(tǒng)制造相比具有優(yōu)勢，但某些材料的3D打印可能會產(chǎn)生對某些應(yīng)用來說過于不一致的結(jié)果。打印金屬特別復(fù)雜，部分原因是打印過程中的溫度變化非?？臁?/p>

研究合著者、NIST物理學(xué)家Fan Zhang表示：“當(dāng)你想到金屬3D打印時，我們基本上是用激光等高功率源將數(shù)百萬微小粉末顆粒焊接成一塊，將其熔化成液體并冷卻成固體。但冷卻速度很高，有時高于每秒一百萬攝氏度，這種極端的非平衡狀態(tài)給測量帶來了一系列非同尋常的挑戰(zhàn)?！?/p>

Fan Zhang進一步指出，由于材料加熱和冷卻的速度太快，材料中原子的排列或晶體結(jié)構(gòu)變化很快，因此很難確定。因為我們對鋼在打印時晶體結(jié)構(gòu)的變化了解不多，研究人員多年來一直在努力3D打印17-4沉淀硬化不銹鋼，其中晶體結(jié)構(gòu)必須恰好——一種稱為馬氏體的材料，以展示其備受追捧的性能。

這項新研究的作者旨在闡明快速溫度變化期間發(fā)生的情況，并找到一種將內(nèi)部結(jié)構(gòu)推向馬氏體的方法。正如需要高速攝影機才能看到蜂鳥拍打翅膀一樣，研究人員也需要特殊設(shè)備來觀察結(jié)構(gòu)在毫秒內(nèi)發(fā)生的快速變化。他們在同步輻射X射線衍射（XRD）中找到了合適的工具。

威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校機械工程教授、研究合著者Lianyi Chen表示：“在XRD中，X射線與材料相互作用后形成一種類似指紋的信號，與材料的特定晶體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)?！痹谖挥诎⒇晣覍嶒炇业?100米長的粒子加速器高級光子源（APS）中，作者在打印過程中將高能X射線粉碎成鋼樣品。

作者繪制了晶體結(jié)構(gòu)在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），是如何影響整個過程的。

雖然鐵是17-4 PH鋼的主要成分，但合金的成分可能含有數(shù)量多達十幾種不同的化學(xué)元素。研究人員現(xiàn)在掌握了打印過程中結(jié)構(gòu)動力學(xué)的清晰圖片作為指導(dǎo)，能夠微調(diào)鋼的組成并找到一組成分，僅包括鐵、鎳、銅、鈮和鉻。

Fan Zhang說：“成分控制確實是3D打印合金的關(guān)鍵。通過控制成分就能控制凝固方式。實驗表明，在廣泛的冷卻速度范圍內(nèi)，比如每秒1000到1000萬攝氏度之間，我們的成分始終如一地生成全馬氏體17-4 PH鋼。”另外，一些成分導(dǎo)致形成誘導(dǎo)強度的納米顆粒，而傳統(tǒng)方法要求對鋼進行冷卻然后再加熱。換句話說，3D打印可以讓制造商跳過需要特殊設(shè)備、額外時間和生產(chǎn)成本的步驟。

力學(xué)測試表明，3D打印鋼具有馬氏體結(jié)構(gòu)和強度誘導(dǎo)納米顆粒，與通過傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的鋼的強度相匹配。這項新的研究也可能會對17-4沉淀硬化不銹鋼產(chǎn)生影響?；赬RD的方法不僅可以用于優(yōu)化其他合金的3D打印，而且它所揭示的信息還能用于構(gòu)建和測試預(yù)測打印部件質(zhì)量的計算機模型。

Lianyi Chen表示：“我們的17-4可靠且可復(fù)制，降低了商業(yè)使用的壁壘。如果制造商遵循這種結(jié)構(gòu)，他們應(yīng)該能夠打印出與傳統(tǒng)制造部件一樣好的17-4結(jié)構(gòu)?！?/p>