【新材料】金属3D打印有重大突破！加入纳米颗粒可有效防止金属开裂（新材料和新能源 总第30期）
2017-09-22 人大人科创 Paul 转自 新材料在线
【据seeker网站0922报道】许多合金不能用于3D打印，如上图所示，是因为它们在熔化和冷却阶段容易发生破裂。针对这个问题，研究人员提出一个新的解决方案。
图为：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。
当前制造的5,500多种合金中，许多在经受基于激光的熔化和快速冷却后，会产生开裂或者其他缺陷。
然而，这一切很快就会有改变。加利福尼亚州马里布的HRL实验室的研究人员发现，加入纳米粒子可以防止3D打印金属过程中发生破裂。通过改进常规铸造方法，即将引入纳米添加剂已成为金属3D打印这一新兴市场的重要参与者，是航空航天、生物医学领域的一重大创新。使用3D打印可以在短时间内对金属产品进行定制，使其更快地出售。
HRL实验室的研究员约翰•马丁（John Martin）和另一位研究人员Seeker说道，们的第一目标是彻底清除热裂纹，主要是通过调控微观结构。如果材料在制作成零件后仍足够坚固，那么可开始进行下一步，这为年轻工程师们开拓了创新的思维。
研究人员使用3D打印技术制备了两种结构不同的铝合金，实验表明，新型铝合金不仅没有裂纹，而且与钢一样坚固，并且重量是其的三分之一。马丁和他的同事在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。
马丁总结得出，问题就出在原子层面上。这是由于金属属于晶体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列，会呈现出明确衍射的图案。 一般来说，缺陷会在晶界附近产生，而这些缺陷将引起裂缝。
另一方面是金属粉末的问题。3D打印金属要求金属的原始状态是粉末，且被放置在非常薄的层中，然后通过激光加热使其熔化。 在添加下一层粉末前，熔融的金属必须快速冷却。 迅速的加热和快速冷却导致金属颗粒固化时发生结构上的变化，这可能导致裂纹。
由于粉末颗粒尺寸微小，马丁和他的团队认为可以引入纳米尺寸的颗粒来增强金属的强度。 他们使用计算机程序对4500多种不同的合金和纳米颗粒进行组合分类并分析，从而从众多可能的体系中寻找所需要的纳米材料。 他们观察到，合金颗粒均匀分布在纳米粉末颗粒的表面，就像水汽积聚在灰尘等细小微粒周围形成水滴。
实验完成后，研究人员将制备好的新材料切成两半，然后对其抛光。惊奇的发现，材料表面没有裂缝。
“我感到很惊讶，这仅是首次实验。”马丁解释道， “实验结果遵循物理学，但我并没有对最终的效果感到太大的意外，这很容易在前沿杂志发表研究成果，但要将其转化为实际应用还是具有一定的挑战。”
马丁解释道，一旦液体金属达到了要固化成晶粒的点，它们就会立即在纳米粒子周围成核。这使得冷却更均匀，并产生不会开裂的细晶粒结构。
马丁和他的团队认为，该技术可以用于有关高温合金的行业，如用于喷气式飞机的涡轮叶片，甚至超音速车辆。
文章来自seeker，原文题目为Nanoparticles Keep 3D-Printed Alloys From Cracking由材料科技在线汇总整理。
