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突破：3D打印海洋级不锈钢，强度是传统的3倍！

316L是一种常见的海洋级不锈钢，其特点是含碳量低，耐腐蚀，延展性高，具有良好的强度和延展性能，广泛用于制造石油管道、发动机零件。但是，过去用来提高材料强度的技术手段，往往会降低材料的延展性。 近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)联合佐治亚理工大学、美国俄勒冈州立大学和艾姆斯国家实验室，在3D打印316L不锈钢方面取得了突破。通过测试他们发现，在某些条件下，3D打印的316L产品强度比用传统工艺制成的产品高3倍，并且延展性更好。这项研究已经在发表在《Nature Materials》杂志上，发表了题为为《增材制造(3D打印)具有高强度和延展性的分层不锈钢》的文章。 “为了使打印生产的部件能够使用，至少需要使制备出的材料的性能，与传统冶金方法生产出的基本相同。”LLNL的材料科学家和该篇文章的首席作者Morris Wang表示，“我们在实验室条件下使用316L不锈钢打印出来的真实部件，其性能表现比使用传统手段生产的部件还要好。这真是一个非常大的跨越，增加了3D打印的吸引力，并填补了一项主要空白。” 在他们成功用3D技术打印不锈钢之前，研究人员首先克服了3D打印技术的一项主要障碍：激光熔融过程会引起的3D打印金属的内部产生气眼孔隙率，具有气眼的金属。多孔部件易于分解和断裂，在发动机、化学设备等高强度应用中可能会引起安全隐患。为了克服这一点,科学家们通过实验室试验和计算机模拟，建立了一套密度优化工艺，用以控制材料内部的微观结构。 “我们研究的微观结构成功解决了传统上强度和延展性'此消彼长’的难题。” Morris Wang表示。在机械试验过程中，研究团队采用了两种激光材料粉来打印不锈钢薄板。该工艺产生了类似于层状细胞的结构，使钢的机械性质发生了改变。 “工作的关键是描述和解释我们获得的试验结果。”监督了部分叠加材料部件生产的LLNL科学家Alex Hamza说，“生产用于3D打印叠状316L不锈钢材料的时候产生了有趣的颗粒结构，有点像彩色的玻璃窗。这些颗粒并不小，但颗粒中这些细胞结构和以及表面缺陷它们不完整的情况在焊接的过程中非常常见，并且我们发现这些结构特性能控制了材料的特性能。这就是我们的发现。我们没有计划生产出比传统工艺更好的东西，可最后就是无心插柳了。” 在不锈钢的制造过程中，一系列复杂的冷却、再加热和轧制的步骤，使得材料的微观结构紧密地排列在一起，即合金的颗粒与颗粒之间形成了一种类似于细胞的结构。当金属被弯曲或受压时，颗粒中的原子层彼此滑动，有时会形成晶质缺陷，从而导致裂纹的产生。但是牢固的颗粒边界可以阻止这些缺陷，使材料变得坚硬，并且仍然足够灵活，形成一个想要的形状。 长期以来，3D打印研究人员一直试图复制这种结构。他们的计划始于一个涂抹在平整表面上的金属合金颗粒粉层。在这项研究中，一种由计算机控制的高性能激光束在表面上来来回回地扫描。被激光击中的颗粒熔化并融合在一起。随后，这一表面向下移动，紧接着，另一层粉末被添加进来，之后，激光加热过程再次重复，将新熔化的材料粘在下面的一层上。通过重复这种逐层添加法，工程师们可以制造复杂的结构，比如火箭发动机。 然而问题依然存在——在微观层面上，3D打印的不锈钢通常都是高孔隙度的，这也使得它们很脆弱并且容易断裂。如今，他们通过设计一个由计算机控制的程序扩展了这项工作，使其不仅能够制造致密的不锈钢层，而且可以更为严格地控制这些材料的结构——从纳米级到微米级。这就使得3D打印机可以在每一个尺度上构建微小的细胞壁式结构，从而防止破裂和其他常见问题。 测试表明，在某些条件下，最终的3D打印不锈钢材料的强度要比传统工艺生产的不锈钢高3倍且仍然具有韧性。 LLNL博士后研究员Thomas Voisin 表示他们的工作将给3D打印材料的结构-性能研究带来新的光明。“金属的变形主要是由纳米级缺陷移动和微观结构的相互作用控制的。”Voisin说，“有趣的是，我们发现这些类似于细胞的结构起到了筛子的作用左右，允许部分缺陷自由的移动，使得材料获得了必要的延展性，同时阻止其他结构移动从而获得强度。通过对这些机制的观察和理解它们的复杂性，我们现在能够考虑新的控制3D打印材料机械性能的途径。” Morris Wang说，多年的模拟、构建模型和不断试验，最终找到了微观结构和机械性能之间的影响因素。他表示，他们使用的不锈钢可以被看成是“替代材料”，这项技术也可以推广到其他类型的金属材料。最终，他们希望使用高性能计算机来确认和预测不锈钢材料未来的表现，使用模型来控制材料的基础微观结构。他们期望能够生产高性能抗腐蚀不锈钢并用类似的方法改造目前性脆易裂的轻合金。