《Nature》：金属3D打印重大突破，纳米成核剂+结晶，实现高强度铝合金
下面这个技术，对于所有金属3D打印来说都是一个非常好的思路：添加纳米成核剂，和液体金属混合来孕育晶种，精细生长，最终可得到高强度的合金。
金属3D打印，有可能进入一个新纪元！
2017年9月21日，南极熊获悉，著名的学术杂志《Nature》刊登了一项有关金属3D打印技术的重大突破：美国HRL实验室通过添加纳米成核剂的方法，成功实现了Al7075、Al6061等高强度铝合金的3D打印，并且打印成品强度和质量都显著提高，没有出现开裂等情况。
▲图1. TresaM. Pollock等人制作的打印件
金属打印的过程简单来说是用一定的能量源（激光、电子束等）将金属材料熔融再快速凝固。与传统的铸造工艺不同，打印的过程是一个非平衡凝固的过程，在这种快速凝固过程中，容易形成具有柱状晶和周期性裂缝的微结构。
因为3D打印目前可以处理的金属虽然已经有了许多，但合金却很少。超过5000多种合金由于打印过程中的熔融和固化动力学问题，不适合被3D打印。所以，HRL实验室的这项研究可以说有能力彻底摘掉金属3D打印“往往只能用来制造一些样品”的帽子，将其带入一个新纪元。
▲图2. 3D打印的原理示意图
▲图3. 铝合金7075粉末的扫描电子显微镜（SEM）照片
据南极熊了解，这项重要的研究是HRL实验室的TresaM. Pollock等人受熔铸工艺启发完成的。TresaM. Pollock等人通过将纳米颗粒作为成核剂与液体金属混合来孕育晶种，从而实现在温度梯度较大和凝固速度快的非平衡条件下晶体实现精细生长，从而提高产品的性能。其打印出的铝合金7075的强度可以达到400MPa以上，与锻件的性能相当。
▲图4.AI7075+Zr的强度达到400MPa以上
▲图5 铝合金7075的时效行为
Pollock等人还采用了类似的方法，在铝合金粉末中引入了一种锆基纳米成核剂，相当于对前者的表面做了修饰。最终他们发现，这种方法能有效抑制打印过程中的热裂倾向，改善打印过程中由于非平衡凝固产生的问题，从而得到细密的等轴晶组织。
▲ 图6. 加入纳米成核剂（右）与不加纳米成核剂（左）的产品微观结构对比
▲图7.凝固过程示意图
▲图8.铝合金7075的EBSD分析
Pollock等人借鉴传统的铸造工艺，创造性地引入纳米颗粒作为结晶的孕育剂，大大提高了打印铝合金的强度。这种方法适合一系列合金材料和3D打印设备，具有良好的普适性，为不可焊接的超级镍合金或镍基间金属提供了3D打印的可能，也可能应用在不同的打印技术上。同时，它对熔铸、热压铸等容易产生热裂和凝固裂纹问题的传统工艺也具有借鉴意义。
中国类似研究
无独有偶，中国武汉光电国家实验室激光先进制造研究团队的博士生张虎、聂小佳等在朱海红教授的指导下，从传统铝合金材料设计的角度出发，通过在SLM成形高强铝合金中添加微量元素的方法，获得了致密无裂纹的试样。在成功抑制热裂纹的同时，SLM成形效率大幅提升；与原有粗大的柱状晶显微组织不同，微量元素改性后的组织为1mm量级的等轴晶；在细晶强化和析出强化的共同作用下，极限抗拉强度提升12%。
▲图9.微量元素对SLM成形高强铝合金裂纹、组织和力学性能的影响
本论文的作者包括
John H. Martin,
Brennan D. Yahata,
Jacob M. Hundley,
Justin A. Mayer,
Tobias A. Schaedler
Tresa M. Pollock
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