一台3D打印机的特写照片 图片来源：RodrigoEM/iStock

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来自美国国家标准与技术研究所（NIST）、威斯康星大学麦迪逊分校和美国阿贡国家实验室的研究人员已经制造出特定的17-4钢成分。当3D打印出来时，它们与传统制造的版本的特性相匹配。

这项研究的结果发表在《增材制造》（Additive Manufacturing）11月刊上。他们使用粒子加速器的高能X射线来获取数据。

美国国家标准与技术研究所（NIST）的新闻稿里说，强度和耐力对核电站、货船、飞机和其他关键技术至关重要。出于这个原因，许多产品都是由特别耐用的17-4沉淀硬化（PH）不锈钢合金制成的。现在，17-4 PH钢第一次可以被可靠地3D打印出来，同时保持其有益的特性。

这些最新的研究可能会使3D打印对17-4PH不锈钢物品的制造商来说更具成本效益和灵活性。本研究中用于调查该物质的方法也可能为更好地理解如何打印各种物质并预测其质量和性能奠定基础。

“当你想到金属的增材制造时，我们基本上是用激光等高功率源将数百万微小的粉末状颗粒焊接成一块，将它们融化成液体并冷却成固体，”研究报告的共同作者、美国国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家张帆（音）说。

“但是冷却速度很高，有时高于每秒100万摄氏度，这种极端的非平衡状态造成了一系列非同寻常的测量挑战。”

在快速温度变化期间会发生什么？

研究人员开始探索他们可以做些什么来了解在快速温度变化过程中发生的情况，并将内部结构导向马氏体。

为了检查在几毫秒内发生的快速结构变化，研究人员需要专门的工具。他们发现同步辐射X射线衍射，或称XRD，是最理想的技术。

“在X射线衍射中，X射线与材料相互作用，将形成一个信号，就像对应于材料特定晶体结构的指纹，”华盛顿大学麦迪逊分校机械工程教授、研究报告共同作者陈联谊（音）说。

作者能够对钢的成分进行微调，找到一组仅由铁、镍、铜、铌和铬组成的有效成分，因为他们现在对3D打印过程中的结构动力学有了很好的了解，可以作为参考。

“成分控制确实是3D打印合金的关键。通过控制成分，我们能够控制它的凝固方式。”张说：“我们还表明，在广泛的冷却速率范围内，例如每秒1000到1000万摄氏度之间，我们的成分方案始终带来完全马氏体的17-4 PH钢。”

最近的工作可能对17-4 PH钢以外的材料也有影响。从基于X射线衍射的方法中获得的信息可能被用来开发和测试计算机模型，以预测3D打印物品的质量，以及优化其他合金的3D打印。

“我们的17-4（PH钢）是可靠和可复制的，这降低了商业使用（3D打印技术）的门槛。”陈说：“如果他们遵循这种构成方案，制造商应该能够打印出与传统制造的零件一样好的17-4钢结构。”

论文摘要：

基于融合的增材制造技术能够制造出传统制造方法无法实现的几何结构和成分上复杂的部件。然而，非均匀和远不平衡的加热/冷却条件对在打印成品中持续获得理想相位构成了重大挑战。在这里，我们报告一个由原位高速、高能、高分辨率X射线衍射所揭示的相变动力学引导的马氏体不锈钢的发展。这样产生的不锈钢在广泛的冷却速率（100-10000000℃/s）范围内始终形成理想的全马氏体结构，这使得直接打印具有全马氏体结构的零件成为可能。打印后的材料表现出1157±23MPa的屈服强度，与沉淀硬化热处理后的锻造材料相当。这种打印出的特性归因于完全的马氏体结构和在增材制造过程中内在的热处理过程中形成的精细沉淀物。这里展示的相变动力学指导下的合金产生策略为开发可靠的、高性能的增材制造专门合金开辟了道路。