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(shì)，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(lái)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(guò)5,500種合金材料中，絕大多數(shù)材料仍然無(wú)法通過(guò)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(wú)外乎是打印過(guò)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(guò)在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來(lái)解決這一問(wèn)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(huì)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(guò)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(wú)裂紋，等軸（其長(zhǎng)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(guò)程中也存在凝固裂紋和熱撕裂等問(wèn)題。

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