金属3D打印重大突破！只需加纳米颗粒就能打印高强度铝合金

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增材制造（additive manufacturing）是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D 打印等多种称谓。

目前，应用于 3D 打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢、铁粉、铝粉和铝合金等少数几种，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属材料。其中，铝合金应用在 3D 打印中优势在于其熔点低、密度低、可强化，并且可塑性好，易加工。但是，这种材料的缺陷在于，其化学活性高，导致加工安全性低；强度低，机械性能不佳。

最近，美国 HRL 实验室（The Harvard Robotics Laboratory）取得了突破进展，研究人员们开发了一种 3D 打印高强度铝合金（包括典型的 AI7075 和 AI6061 ）的技术。

图丨凭借该项新技术，美国 HRL 实验室站在了金属增材制造（用于研究、工业和防护等）的前列。（来源：HRL 实验室的 M. Durant ）

Hunter Martin 和 Brennan Yahata 是该研究团队的共同领导人，他们都是 HRL 实验室的工程师、加州大学的博士。Hunter Martin 表示，“我们利用 21 世纪的机器，基于 70 年前的成核理论，解决了 100 年来未能解决的问题。”相关论文9 月 21 日发表在《自然》期刊上。

增材制造金属通常是利用合金粉末作为原料，经过激光或者其他直接加热光源加热，使其熔化然后凝固成薄层，逐层打印。一般而言，如果是高强度不可焊接的铝合金，比如 Al7075 或者 AL6061，“打印”得到的产品会出现严重的热裂纹，这些裂纹可能使金属像薄饼干一样可能被扯断。

HRL 实验室利用纳米颗粒功能化方法解决了这个问题，即利用特定的纳米颗粒修饰高强度不可焊接的合金粉末。经修饰的粉末装入 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。在熔化和固化的过程中，纳米颗粒的角色就是合金微观结构的成核位置，从而预防热裂纹的出现并完整地保留合金强度。

图丨修饰的粉末装入 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。（来源：HRL 实验室的 B. Ferguson）

增材制造过程中的熔化和固化类似于焊接，所以 HRL 实验室的纳米颗粒功能化可用于将不可焊接的合金变成可焊接的。另外，该项技术可规模化生产，并且采用低成本材料，即传统的合金粉末和纳米颗粒。其中，纳米颗粒均匀分布在粉末颗粒的表面。

Martin 解释，“我们的第一目标是彻底清除热裂纹，主要是调控了微观结构。”

为了找到合适的纳米颗粒（锆基纳米颗粒），HRL 实验室的研究团队找到 Citrine Informatics 公司（该公司构建了体量庞大的材料数据库），帮助他们在众多可能的体系中寻找所需要的纳米材料。

Yahata 解释，“在我们的研究中，很关键的一点就是利用 informatics 软件。冶金学通常就是根据元素周期表，找可能的合金元素，并不断试错。而利用 informatics 软件，基于成核理论，则可以选择性地寻找具有所需性能的材料。一旦我们告知 Citrine Informatics 需要找什么，经过他们庞大的数据分析，就可以将可能的材料范围从成百上千种缩减到具体的几种，过程犹如大海捞针，难度可想而知。”

该技术开启了工程用高强度合金增材制造的大门，并且制备出的合金非常适用于航空器和汽车零部件。

此外，该技术也适用于其他的合金体系，比如高强度钢和镍基超合金（目前用增材制造技术很难处理）。凭借这个令人兴奋的新技术，美国 HRL 实验室也站在了金属增材制造（用于研究、工业和防护等）的前列。

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编辑：maggie    校审：郝锕铀

参考：

https://phys.org/news/2017-09-d-high-strength-aluminum-ages-old-welding.html

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