3D打印机的大马士革钢
大马士革钢享有传奇的声誉。它既坚固又有延展性，因为它由不同的铁合金层组成。在古代，这使得它成为制作剑刃的首选材料。现在有一队来自马克斯·普朗克铁研究所在Düsseldorf和夫琅和费激光技术研究所在亚琛，该公司开发了一种工艺，可以在3D打印机中一层一层地生产钢铁，每一层的硬度都被专门调整。这种复合材料可能会对航空航天部件或工具的3D打印产生兴趣。
甚至凯尔特的铁匠也将各种铁合金结合在一起，制造出后来被称为大马士革钢的材料。它的名字来源于一个贸易中心，来自东方的复合材料就是通过这个贸易中心来到欧洲的。然而，当印度和阿拉伯的大马士革是通过复杂的熔炼工艺创造出来的时候，欧洲的铁匠们发展出了将两种合金折叠成许多薄层的艺术。大马士革钢的层状结构通常也可以通过特征的条纹图案直观地识别出来。
虽然现在有既坚硬又有延展性的铁合金，但它们通常不容易用3D打印机加工，而3D打印机是许多复杂或单独设计组件的选择手段。出于这个原因,马克斯普朗克研究所的科学家们和弗劳恩霍夫研究所已经开发出一种技术,它允许一个原始材料中直接使用3 d印刷生产的钢是由交替的艰苦和延性,即软层——一种大马士革钢。
他们采用了著名的激光熔覆技术。但是激光束不仅使熔融材料成为可能。它也可以用来加热已固化金属的表层。研究小组利用这种方法来改变钢在单个金属层中的晶体结构，从而在不改变化学成分的情况下影响机械性能。
为此，他们开发了一种铁、镍和钛的合金。最初，这种合金是比较软的。但在一定条件下，会形成细小的镍钛显微组织，从而具有特殊的硬度。
为了能够创造镍钛结构，研究人员在每一层新应用后中断了打印过程，并让金属冷却到195摄氏度以下。这时晶体结构开始发生变化。然后他们再次加热材料。为了做到这一点，研究人员使用下一层打印所用的激光能量。
被下一层直接涂覆而没有断裂的层保持柔软，因为此时它们还没有以马氏体的形式出现。根据研究人员的说法，测试证实了这是强度和延展性的绝佳结合。
在3D打印过程中，可选用多种工艺调整螺钉来影响显微结构。晶体的形成和随后的硬化也可以通过改变激光能量、激光聚焦或打印速度或使用外部加热和冷却技术来控制，而不是在加热和冷却之间交替进行。
在他们的实验中，研究人员制造出边长为几厘米的立方体或长方体钢块。获得的知识也可以转移到更复杂的几何形状的物体，这是计算机控制的3D打印的兴趣。此外，具有周期性变化层状结构的大马士革钢只是制造过程中局部影响合金组织的一个例子。例如，创建具有连续软芯的工具组件是很有可能的，然后被一层坚硬的、耐磨的外层包围。根据研究人员的说法，也可以想象，这种技术不仅可以用来调整硬度，还可以用来调整其他性能，比如局部的耐腐蚀性能。
这种新方法预示着合金设计范式的转变，马克斯·普朗克铁研究所博士后研究员、参与研究的科学家之一菲利普·Kürnsteiner解释道。“许多已知的钢材并不最适合增材制造。我们现在的方法是开发足够的合金来充分开发3D打印的潜力。
原始出版物:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2409-3#citeas
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