美国开发增材制造马氏体硬质钢的方法

近期，德克萨斯农工大学的研究人员与美国空军研究实验室的科学家合作，开发了一种增材制造工艺，可以将马氏体钢粉末经过3D打印成任何形状，而且*终产品几乎没有任何缺陷。这项研究由美国陆军研究室和空军研究实验室资助。

强韧的钢材用途广泛，但价格不菲，*的例外是马氏体钢，价格相对便宜，每磅不到1美元。马氏体钢适用于航空航天、汽车和国防工业等，在不增加部件成本的情况下制造出高强度、轻量化部件。然而，对于这些应用，金属材料必须能够在强度和耐久性损失*小的情况下构建成复杂的结构。

尽管*开发的程序是针对马氏体钢的，但研究人员表示，他们已经将他们的指导程序做得足够通用化，这样同一3D打印管道就可以用来建造其他金属和合金的复杂物体。这项研究的结果发表于2019年12月的《Acta Materialia》。

在快速冷却之前，加热到极高的温度时，就形成了马氏体钢。骤冷将碳原子限制在铁晶体中，使马氏体钢具有标志性的强度。为了满足不同应用领域的需要，马氏体钢，特别是低合金马氏体钢，根据需要必须能够成形为各种形状和尺寸。

增材制造是生产复杂形状零件的理想解决方案，但使用激光粉床熔化融合(L-PBF)等工艺生产的马氏体钢可能会在材料中引入气孔等缺陷。即使3D打印所用的原材料非常坚硬，气孔也会大幅降低*终3D打印物品的强度。

在试验中，研究团队首先使用了现有的Eagar-Tsai数学模型，该模型的灵感来自于焊接中使用的一个模型，用以预测单层马氏体钢粉在激光速度和功率的不同设置下将如何熔化。这种低合金马氏体钢AF9628，由于形成了ε-碳化物相，其强度大于1.5 GPa，拉伸延展性超过10％。将熔化粉末的单轨中观察到的缺陷的类型和数量与模型的预测进行比较，对现有框架进行微调，以便改进后期的预测。打印后的样品显示出高达1.4 GPa的拉伸强度，这是迄今为止任何3D打印合金中报道的*高强度，延伸率高达11％。

经过几次这样的迭代，研究团队认为他们的框架可以正确地预测，而不需要额外的实验确认新的、未经测试的激光设置是否会导致马氏体钢结构中的缺陷。

测试所有激光设置的可能性，以评估哪些可能导致缺陷，这非常耗时，有时甚至是不切实际的，通过将实验和建模相结合，开发出一种简单、快速、循序渐进的程序，可以用来确定哪种设置*适合马氏体钢的3D打印。

尽管团队的指导程序是为了确保马氏体钢可以在没有变形的情况下进行增材制造，但这一框架同样适用于任何其他金属。指导程序简化了3D打印金属的技术，使*终产品没有气孔，这对于所有类型的金属增材制造行业来说都是一个重要的发展，从螺丝开始，甚至到起落架、变速箱或涡轮机等更复杂的部件。

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