三倍的强度,3D打印超强耐腐蚀不锈钢316L

发布于:2017-12-15浏览次数:1148

3D打印正在获得工业制造业越来越多的重视,但即便是很多看好3D打印技术的制造业人士,对3D打印所能实现的产品形状感到乐观,但对3D打印所能实现的力学性能感到疑虑。

       不锈钢是近一百五十年前发明的,今天仍然广受欢迎。它是通过将钢铁本身与铁和碳(有时是其他金属如镍)的组合进行熔炼制成的,并添加了铬和钼元素,防止生锈和腐蚀。铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果。随着钼含量的增加,钢的高温强度提高,比如持久,蠕变等性能均获较大改善。

       金属加工是理解冶金领域的一门深奥学问,复杂的一系列冷却,再加上热处理和轧制等步骤使材料具有紧密堆积的合金晶粒结构,并且颗粒之间具有薄边界的微观结构。当金属弯曲或受到应力时,就容易产生裂缝,但是强大的边界作用可以阻止这些裂缝的发生,使得材料更加坚固,同时仍然具有足够的灵活性以形成所需的形状。

      3D打印研究人员长期以来一直试图制造更坚固的金属零件。通过粉末床选择性金属熔化技术,计算机控制的大功率激光束在金属表面上前后移动。激光熔化的颗粒撞击并融合在一起,然后粉末床下降进行另一层金属粉末的加工。新熔化的材料结合到下面的层,通过重复这种逐层熔化的方式,工程师们可以构建复杂的形状,例如火箭及航发动机

问题是在显微镜下,这些不锈钢零件通常是高度多孔的,并且容易断裂。

      最终,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)联合乔治亚理工大学和美国俄勒冈州立大学的阿姆斯国家实验室的科学家们通过改变加工参数和过程控制来提高零件的力学性能。通过控制激光能量以及采取快速冷却的过程,科研人员获得了更加致密的零件加工结果。

科研人员在316L不锈钢的3D打印领域取得了“突破”,这是一种常见的“海洋级” 不锈钢具有低碳组成。在石油管道、发动机零件和厨房设备等场合被广泛使用,通常具有低腐蚀性和高延展性。令人兴奋的是,测试表明坚固耐磨的3D打印316L不锈钢可以提供比其他形式的钢更高水平的强度和延展性,使其有助于化学设备、医疗植入物、发动机零件以及需要其设备优异物理性能的各种其他应用。


      现在,研究人员不仅仅将这种过程控制工艺应用到不锈钢的加工中,还扩展到其他金属材料的加工中。3D科学谷了解到他们可以使得3D打印机在不同的尺度上构建小型的墙壁单元结构,这些结构可以防止裂缝和其他常见问题的发生。 测试显示,在某些条件下,这些3D打印的不锈钢零件的强度是传统制备工艺所实现的强度的三倍,这一发现还发表在Nature Materials*上。

      宾夕法尼亚州的内基梅隆大学的机械工程师Rahul Panat表示,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的发现是非常令人兴奋的事情。另外,Panat和他的同事们正在通过市面上购买的3D打印机来通过这种方法制造更强的金属。

这种高强度不锈钢的获得可以使得3D打印技术不仅可用于航空航天行业制造飞机燃料箱,还可以用于核电厂用来制造高强度压力管。

     3D科学谷认为,3D打印最容易被业界记住的是无模化以及所释放的设计自由度。而通过3D打印所实现的材料制备技术的提升是当前商业界所容易忽视的地方。所幸的是世界范围内,不少的研究机构在进行通过3D打印技术来提升材料性能的研究。这些研究结果将进一步扩展3D打印的市场应用空间,刺激金属3D打印技术的市场增长。

随着设备加工技术的提升,加之材料的配合以及价格的合理化,金属3D打印势必在产业化领域的道路越来越宽。而对于加工应用方来说,要迎接这样的技术浪潮,了解金属3D打印的冶金加工学就成为必修课。

      的确,在金属加工过程中,发生着许多微妙的事情。就拿选择性激光熔化技术来说,在激光对粉末的融化加工过程中,每个激光点创建了一个微型熔池,从粉末熔化到冷却成为固体结构,光斑的大小以及功率带来的热量的大小决定了这个微型熔池的大小,从而影响着零件的微晶结构。并且,为了熔化粉末,必须有充足的激光能量被转移到材料中,以熔化中心区的粉末,从而创建完全致密的部分,但同时热量的传导超出了激光光斑周长,影响到周围的粉末,出现半熔化的粉末,从而产生孔隙的现象。

      对于应用端来说,除了设备的配置这样的刚性条件,冶金性能方面还与金属3D打印过程的诸多条件相关。加工参数的设置、粉末的质量与颗粒情况、加工中惰性氛围的控制、激光扫描策略、激光光斑大小以及与粉末的接触情况、熔池与冷却控制情况等等都带来了不同的冶金结果。

通常来说加工越快,表面粗糙度越高,这是两个此起彼长的相关变量。另外,残余应力是DED以及SLM加工技术所面临的共同话题,残余应力将影响后处理和机械性能参数。不过,根据3D科学谷的市场研究,根据对冶金方面的驾驭能力,残余应力也可以用来帮助促进再结晶和细小的等轴晶组织的形成。

在过去的五年里,对于金属打印过程中微观结构的理解和新合金的加工性能已经获得了不少的进步。同时还观察到微观结构的非均质性,在这方面通过表征工作(柱状晶、高取向、孔隙度等)获取对加工冶金学的进一步理解,从而不仅提高金属3D打印的工艺控制能力,还为材料制备以及后处理提出了新的要求。