当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › Nature:用“70岁”的成核理论,解决一个“100岁”的老问题

Nature:用“70岁”的成核理论,解决一个“100岁”的老问题

经过近几年的发展,3D打印技术早已不再是新名词。材料领域研究者使用不同的材料,如聚乳酸、光敏树脂、ABS树脂等等,打造出各种立体的模型,生物学家开始研究如何“打印”人造器官(点击阅读详细),吃货们更是用食材打印出蛋糕和糖果。最酷炫的应当要数2015年Science 杂志发表的封面文章(下图),借助革命性的3D打印技术——连续液体界面制作(CLIP),可在液体中将“埃菲尔铁塔”、“富勒烯”形状的空心球像变魔术一样直接“拉”出来(点击阅读详细)。而且,发论文并不是结束,这篇Science 论文的作者们在2016年完成了技术的实用化,并推出了商业化的3D打印机,跨越了从论文到产品上市的巨大鸿沟(点击阅读详细)。


连续液体界面制作技术登上Science 封面。图片来源:Science


然而,作为工业中常用的金属合金,却很少有报道可进行3D打印。目前仅有AlSi10Mg、TiAl6V4、CoCr和Inconel 718少数的几种较低强度合金,可用于3D打印。金属及合金的3D打印技术的发展,可以提高设计自由度和制造灵活性,从而构建复杂的几何形状,缩短产品的上市时间,在航空航天、生物医学和汽车制造等很多行业都有着重要的推动作用。


近日,美国HRL实验室John H. Martin等人在Nature 发表文章,介绍了一种3D打印高强度铝合金的方法。此前,限制合金材料用于3D打印的主要原因,是在打印过程中材料的熔融和凝固易产生柱状晶粒和周期性裂纹,影响产品的强度和抗疲劳性能。Martin等研究者通过入成核剂纳米颗粒来控制凝固过程,更易形成细小的等轴晶粒,减少裂纹形成的可能,从而解决了高强度铝合金的3D打印问题。通过该方法打印的3D合金,无裂纹,强度堪比传统的锻造产品。

视频来源:HRL Laboratories LLC


使用激光或电子束进行金属3D打印,部件在凝固过程中会因热裂(hot tearing)导致严重的裂纹(下图a/c/e)。而凝固过程中的热裂问题,几乎与著名的杜拉铝(duralumin)同时诞生,已经困扰了冶金行业超过100年。为此HRL实验室研究的首要目标是弄清楚如何彻底消除裂纹。研究者使用Al7075和Al6061两种铝合金材料,通过研究发现,加入功能化的成核剂纳米颗粒,再进行选择性激光熔化(selective laser melting)加工,可以诱导异相成核,促进等轴晶粒生长,从而降低凝固应变的影响,得到无裂纹、具有等轴晶粒微观结构的合金材料(下图b/d/f)。这种策略也能用于复杂结构产品的3D打印制造(下图g/h)

成核剂纳米颗粒对铝合金3D打印的影响。图片来源:Nature


研究者使用基于经典成核理论的软件分析了4500多种不同合金粉末和纳米粒子,这意味着有超过1150万种组合。针对每种组合进行分析,标识匹配的晶格间距和密度,使得配对晶格失配最小化,具有接近的原子堆积和热力学稳定性。最终,氢稳定的锆纳米颗粒被选为本文中铝合金材料的成核剂。实验过程中,先将传统的合金粉末和锆纳米颗粒进行静电组装,随后再进行激光熔融加工,就可以打印出高强度的铝合金结构,晶格失配率小于0.52%。

基于传统成核理论评估成核剂对合金凝固的改善。图片来源:Nature


研究者对比了Al7075在有无Zr成核剂纳米颗粒情况下3D打印产品的应力-应变曲线(以AlSi10Mg作为对照),并测试了杨氏模量、屈服强度等机械性能参数。很明显,该方法3D打印的铝合金具有良好的机械强度和延展性,强度与锻造产品相当。

3D打印铝合金机械性能测试。图片来源:Nature


HRL实验室表示,该技术可用于研发更多种类的可3D打印合金粉末材料。同时,该思路不仅能应用在激光熔融3D打印设备,还可用于电子束熔融和基于定向能量沉积的3D打印设备中。此外,在接合、铸造及注射成型这些传统加工工艺中,也可以利用该方法减少凝固裂纹和热裂等问题。“我们用21世纪的机器,依靠‘70岁’的经典成核理论,解决了一个‘100岁’的问题。”John Martin调侃道[1]


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

3D printing of high-strength aluminium alloys

Nature, 2017, 549, 365-369, Doi:10.1038/nature23894


参考资料:

1. http://www.hrl.com/news/2017/09/20/metallurgy-breakthrough-hrl-engineers-3d-print-high-strength-aluminum-solve-ages-old-welding-problem-using-nanoparticles


(本文由小希供稿)


如非特别注明,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

分享到
评论: 0
down
wechat
bug