金属3D打印重大突破!只需加纳米颗粒就能打印高强度铝合金

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金属3D打印重大突破!只需加纳米颗粒就能打印高强度铝合金
麻省理工科技评论 30天前 0

30天前

最近,美国 HRL 实验室的研究人员们开发了一种 3D 打印高强度铝合金的技术。
纳米 3D打印
最近,美国 HRL 实验室的研究人员们开发了一种 3D 打印高强度铝合金的技术。

增材制造(additive manufacturing)是指基于离散-堆积原理,由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式,增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D 打印等多种称谓。

目前,应用于 3D 打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢、铁粉、铝粉和铝合金等少数几种,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属材料。其中,铝合金应用在 3D 打印中优势在于其熔点低、密度低、可强化,并且可塑性好,易加工。但是,这种材料的缺陷在于,其化学活性高,导致加工安全性低;强度低,机械性能不佳。

最近,美国 HRL 实验室(The Harvard Robotics Laboratory)取得了突破进展,研究人员们开发了一种 3D 打印高强度铝合金(包括典型的 AI7075 和 AI6061 )的技术。Hunter Martin 和 Brennan Yahata 是该研究团队的共同领导人,他们都是 HRL 实验室的工程师、加州大学的博士。Hunter Martin 表示,“我们利用 21 世纪的机器,基于 70 年前的成核理论,解决了 100 年来未能解决的问题。”相关论文9 月 21 日发表在《自然》期刊上。

增材制造金属通常是利用合金粉末作为原料,经过激光或者其他直接加热光源加热,使其熔化然后凝固成薄层,逐层打印。一般而言,如果是高强度不可焊接的铝合金,比如 Al7075 或者 AL6061,“打印”得到的产品会出现严重的热裂纹,这些裂纹可能使金属像薄饼干一样可能被扯断。

HRL 实验室利用纳米颗粒功能化方法解决了这个问题,即利用特定的纳米颗粒修饰高强度不可焊接的合金粉末。经修饰的粉末装入 3D 打印机,它可以将粉末分层,然后通过激光熔化每一层,最终制造出三维物体。在熔化和固化的过程中,纳米颗粒的角色就是合金微观结构的成核位置,从而预防热裂纹的出现并完整地保留合金强度。增材制造过程中的熔化和固化类似于焊接,所以 HRL 实验室的纳米颗粒功能化可用于将不可焊接的合金变成可焊接的。另外,该项技术可规模化生产,并且采用低成本材料,即传统的合金粉末和纳米颗粒。其中,纳米颗粒均匀分布在粉末颗粒的表面。

Martin 解释,“我们的第一目标是彻底清除热裂纹,主要是调控了微观结构。”为了找到合适的纳米颗粒(锆基纳米颗粒),HRL 实验室的研究团队找到 Citrine Informatics 公司(该公司构建了体量庞大的材料数据库),帮助他们在众多可能的体系中寻找所需要的纳米材料。

Yahata 解释,“在我们的研究中,很关键的一点就是利用 informatics 软件。冶金学通常就是根据元素周期表,找可能的合金元素,并不断试错。而利用 informatics 软件,基于成核理论,则可以选择性地寻找具有所需性能的材料。一旦我们告知 Citrine Informatics 需要找什么,经过他们庞大的数据分析,就可以将可能的材料范围从成百上千种缩减到具体的几种,过程犹如大海捞针,难度可想而知。”

该技术开启了工程用高强度合金增材制造的大门,并且制备出的合金非常适用于航空器和汽车零部件。此外,该技术也适用于其他的合金体系,比如高强度钢和镍基超合金(目前用增材制造技术很难处理)。凭借这个令人兴奋的新技术,美国 HRL 实验室也站在了金属增材制造(用于研究、工业和防护等)的前列。

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