Nature：用「70歲」的成核理論，解決一個「100歲」的老問題

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經過近幾年的發展，3D列印技術早已不再是新名詞。材料領域研究者使用不同的材料，如聚乳酸、光敏樹脂、ABS樹脂等等，打造出各種立體的模型，生物學家開始研究如何「列印」人造器官（點擊閱讀詳細），吃貨們更是用食材列印出蛋糕和糖果。最酷炫的應當要數2015年Science雜誌發表的封面文章（下圖），藉助革命性的3D列印技術——連續液體界面製作（CLIP），可在液體中將「埃菲爾鐵塔」、「富勒烯」形狀的空心球像變魔術一樣直接「拉」出來（點擊閱讀詳細）。而且，發論文並不是結束，這篇Science論文的作者們在2016年完成了技術的實用化，並推出了商業化的3D印表機，跨越了從論文到產品上市的巨大鴻溝（點擊閱讀詳細）。

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連續液體界面製作技術登上Science封面。圖片來源：Science

然而，作為工業中常用的金屬合金，卻很少有報道可進行3D列印。目前僅有AlSi10Mg、TiAl6V4、CoCr和Inconel 718少數的幾種較低強度合金，可用於3D列印。金屬及合金的3D列印技術的發展，可以提高設計自由度和製造靈活性，從而構建複雜的幾何形狀，縮短產品的上市時間，在航空航天、生物醫學和汽車製造等很多行業都有著重要的推動作用。

近日，美國HRL實驗室John H. Martin等人在Nature發表文章，介紹了一種3D列印高強度鋁合金的方法。此前，限制合金材料用於3D列印的主要原因，是在列印過程中材料的熔融和凝固易產生柱狀晶粒和周期性裂紋，影響產品的強度和抗疲勞性能。Martin等研究者通過引入成核劑納米顆粒來控制凝固過程，更易形成細小的等軸晶粒，減少裂紋形成的可能，從而解決了高強度鋁合金的3D列印問題。通過該方法列印的3D合金，無裂紋，強度堪比傳統的鍛造產品。

視頻來源：HRL Laboratories LLC

使用激光或電子束進行金屬3D列印，部件在凝固過程中會因熱裂（hot tearing）導致嚴重的裂紋（下圖a/c/e）。而凝固過程中的熱裂問題，幾乎與著名的杜拉鋁（duralumin）同時誕生，已經困擾了冶金行業超過100年。為此HRL實驗室研究的首要目標是弄清楚如何徹底消除裂紋。研究者使用Al7075和Al6061兩種鋁合金材料，通過研究發現，加入功能化的成核劑納米顆粒，再進行選擇性激光熔化（selective laser melting）加工，可以誘導異相成核，促進等軸晶粒生長，從而降低凝固應變的影響，得到無裂紋、具有等軸晶粒微觀結構的合金材料（下圖b/d/f）。這種策略也能用於複雜結構產品的3D列印製造（下圖g/h）

成核劑納米顆粒對鋁合金3D列印的影響。圖片來源：Nature

研究者使用基於經典成核理論的軟體分析了4500多種不同合金粉末和納米粒子，這意味著有超過1150萬種組合。針對每種組合進行分析，標識匹配的晶格間距和密度，使得配對晶格失配最小化，具有接近的原子堆積和熱力學穩定性。最終，氫穩定的鋯納米顆粒被選為本文中鋁合金材料的成核劑。實驗過程中，先將傳統的合金粉末和鋯納米顆粒進行靜電組裝，隨後再進行激光熔融加工，就可以列印出高強度的鋁合金結構，晶格失配率小於0.52%。

基於傳統成核理論評估成核劑對合金凝固的改善。圖片來源：Nature

研究者對比了Al7075在有無Zr成核劑納米顆粒情況下3D列印產品的應力-應變曲線（以AlSi10Mg作為對照），並測試了楊氏模量、屈服強度等機械性能參數。很明顯，該方法3D列印的鋁合金具有良好的機械強度和延展性，強度與鍛造產品相當。

3D列印鋁合金機械性能測試。圖片來源：Nature

HRL實驗室表示，該技術可用於研發更多種類的可3D列印合金粉末材料。同時，該思路不僅能應用在激光熔融3D列印設備，還可用於電子束熔融和基於定向能量沉積的3D列印設備中。此外，在接合、鑄造及注射成型這些傳統加工工藝中，也可以利用該方法減少凝固裂紋和熱裂等問題。「我們用21世紀的機器，依靠『70歲』的經典成核理論，解決了一個『100歲』的問題。」John Martin調侃道。[1]

3D printing of high-strength aluminium alloys

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

參考資料：

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）

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