在一项最新的研究中，美国联邦研究机构劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们证明，金属增材制造的性能可以在制造过程中进行精确调控。研究团队通过改变打印高熵合金时的激光扫描速度，揭示了冷却速率如何影响金属凝固过程中的原子结构。研究结果表明，无需进行后处理或合金重新设计，即可通过工艺参数直接调整材料性能。这些发现直接解决了金属增材制造在获得认证的最终用途应用中更广泛推广的一个主要障碍：材料性能的不确定性。
艺术家对劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）新型增材制造高熵合金的渲染图。图片来源：LLNL
金属增材制造的可预测性挑战
虽然金属增材制造能够制造用于航空航天和国防领域的复杂形状部件，但由于材料性能难以预测，其在性能要求高的关键应用中的采用仍然受限。打印过程中快速的熔化和凝固会形成非平衡的微观结构，即使在相同的标准工艺参数下，也会导致强度、延展性和断裂韧性出现显著差异。LLNL指出，高熵合金包含多种主要元素而非单一基体金属，因此比传统合金具有更广阔的设计空间。其复杂的化学成分使其能够展现出广泛的力学性能，但也使其对打印过程中的热历史高度敏感。因此，冷却速率的微小差异就可能显著改变原子排列和最终性能，进一步加剧了可预测性的挑战。
使用贵金属增材制造技术制作的网格结构的详细特写。图片来源：Cookson Industrial
利用激光速度对原子结构进行编程
为了研究工艺参数如何影响材料行为，由LLNL领导的研究团队将热力学建模与金属增材制造的分子动力学模拟相结合。研究人员分析了激光扫描速度如何影响凝固过程中的冷却速率，进而影响原子在成分复杂的合金中的排列方式。结果表明，更快的激光扫描速度会提高冷却速率，从而限制原子重排成低能构型的时间，这使得材料锁定在非平衡原子结构中
。较慢的扫描速度则允许更多的原子重排，从而产生更接近热力学平衡的结构。这种工艺级控制能够直接在同一合金体系内实现强度和延展性之间的调控。快速冷却可提高强度，但会增加脆性；而缓慢冷却则可获得更均衡的力学性能。该方法无需改变合金成分，只需修改单个打印参数即可调整性能。“我们现在已经能够有效地设计出充分利用增材制造特性（例如极快的冷却速度）的新材料，”副组长托马斯·沃辛说道。
金属3D打印的合金格子。图片来源：Alloyed
尽管LLNL的研究表明，在金属增材制造过程中，可以通过控制激光扫描速度来影响原子结构，但这些发现是基于高熵合金的热力学建模和分子动力学模拟，尚未在经过认证的大规模零件生产中得到验证。尽管如此，这项工作表明，工艺参数可以作为有意设计的手段来影响材料性能，而不是将微观结构变化视为不可避免的结果。
性能可调控在实践中的重要性
在金属增材制造过程中调整机械性能的能力解决了该领域面临的一个根本性难题：最终用途零件性能的不确定性。在航空航天、国防和能源等领域，工程师无法基于各种可能的材料结果来设计或认证零件。机械性能必须预先确定，才能满足认证、安全和可靠性要求。然而，传统的金属增材制造工艺往往会产生微观结构差异，因为热流的微小变化就可能导致原子结构的巨大差异。
近期的研究反映出学界正努力减少这种不确定性。研究表明，激光粉末床熔融过程中的冷却速率会影响晶粒结构、韧性和耐腐蚀性；而其他研究团队则开发出一些工具，可以通过调整激光功率和扫描策略来预测和影响镍基高温合金的微观结构。这些方法旨在使打印材料的性能与设计意图相符，但通常需要进行大量的参数优化或针对特定合金的调整。
中国3D打印网编译文章！
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