《Nature》：金屬3D列印重大突破，納米成核劑結晶，實現高強度鋁合金

最新 09-22

下面這個技術，對於所有金屬3D列印來說都是一個非常好的思路：添迦納米成核劑，和液體金屬混合來孕育晶種，精細生長，最終可得到高強度的合金。

金屬3D列印，有可能進入一個新紀元！

2017年9月21日，南極熊獲悉，著名的學術雜誌《Nature》刊登了一項有關金屬3D列印技術的重大突破：美國HRL實驗室通過添迦納米成核劑的方法，成功實現了Al7075、Al6061等高強度鋁合金的3D列印，並且列印成品強度和質量都顯著提高，沒有出現開裂等情況。

圖1. TresaM. Pollock等人製作的列印件

金屬列印的過程簡單來說是用一定的能量源（激光、電子束等）將金屬材料熔融再快速凝固。與傳統的鑄造工藝不同，列印的過程是一個非平衡凝固的過程，在這種快速凝固過程中，容易形成具有柱狀晶和周期性裂縫的微結構。

因為3D列印目前可以處理的金屬雖然已經有了許多，但合金卻很少。超過5000多種合金由於列印過程中的熔融和固化動力學問題，不適合被3D列印。所以，HRL實驗室的這項研究可以說有能力徹底摘掉金屬3D列印「往往只能用來製造一些樣品」的帽子，將其帶入一個新紀元。

圖2. 3D列印的原理示意圖

圖3. 鋁合金7075粉末的掃描電子顯微鏡（SEM）照片

據南極熊了解，這項重要的研究是HRL實驗室的TresaM. Pollock等人受熔鑄工藝啟發完成的。TresaM. Pollock等人通過將納米顆粒作為成核劑與液體金屬混合來孕育晶種，從而實現在溫度梯度較大和凝固速度快的非平衡條件下晶體實現精細生長，從而提高產品的性能。其列印出的鋁合金7075的強度可以達到400MPa以上，與鍛件的性能相當。

圖4.AI7075+Zr的強度達到400MPa以上

圖5 鋁合金7075的時效行為

Pollock等人還採用了類似的方法，在鋁合金粉末中引入了一種鋯基納米成核劑，相當於對前者的表面做了修飾。最終他們發現，這種方法能有效抑制列印過程中的熱裂傾向，改善列印過程中由於非平衡凝固產生的問題，從而得到細密的等軸晶組織。

圖6. 加入納米成核劑（右）與不迦納米成核劑（左）的產品微觀結構對比

圖7.凝固過程示意圖

圖8.鋁合金7075的EBSD分析

Pollock等人借鑒傳統的鑄造工藝，創造性地引入納米顆粒作為結晶的孕育劑，大大提高了列印鋁合金的強度。這種方法適合一系列合金材料和3D列印設備，具有良好的普適性，為不可焊接的超級鎳合金或鎳基間金屬提供了3D列印的可能，也可能應用在不同的列印技術上。同時，它對熔鑄、熱壓鑄等容易產生熱裂和凝固裂紋問題的傳統工藝也具有借鑒意義。

中國類似研究

無獨有偶，中國武漢光電國家實驗室激光先進位造研究團隊的博士生張虎、聶小佳等在朱海紅教授的指導下，從傳統鋁合金材料設計的角度出發，通過在SLM成形高強鋁合金中添加微量元素的方法，獲得了緻密無裂紋的試樣。在成功抑制熱裂紋的同時，SLM成形效率大幅提升；與原有粗大的柱狀晶顯微組織不同，微量元素改性後的組織為1mm量級的等軸晶；在細晶強化和析出強化的共同作用下，極限抗拉強度提升12%。

圖9.微量元素對SLM成形高強鋁合金裂紋、組織和力學性能的影響