Nature：用“70岁”的成核理论，解决一个“100岁”的老问题

经过近几年的发展，3D打印技术早已不再是新名词。材料领域研究者使用不同的材料，如聚乳酸、光敏树脂、ABS树脂等等，打造出各种立体的模型，生物学家开始研究如何“打印”人造器官（点击阅读详细），吃货们更是用食材打印出蛋糕和糖果。最酷炫的应当要数2015年Science 杂志发表的封面文章（下图），借助革命性的3D打印技术——连续液体界面制作（CLIP），可在液体中将“埃菲尔铁塔”、“富勒烯”形状的空心球像变魔术一样直接“拉”出来（点击阅读详细）。而且，发论文并不是结束，这篇Science 论文的作者们在2016年完成了技术的实用化，并推出了商业化的3D打印机，跨越了从论文到产品上市的巨大鸿沟（点击阅读详细）。

连续液体界面制作技术登上Science 封面。图片来源：Science

然而，作为工业中常用的金属合金，却很少有报道可进行3D打印。目前仅有AlSi₁₀Mg、TiAl₆V₄、CoCr和Inconel 718少数的几种较低强度合金，可用于3D打印。金属及合金的3D打印技术的发展，可以提高设计自由度和制造灵活性，从而构建复杂的几何形状，缩短产品的上市时间，在航空航天、生物医学和汽车制造等很多行业都有着重要的推动作用。

近日，美国HRL实验室John H. Martin等人在Nature 发表文章，介绍了一种3D打印高强度铝合金的方法。此前，限制合金材料用于3D打印的主要原因，是在打印过程中材料的熔融和凝固易产生柱状晶粒和周期性裂纹，影响产品的强度和抗疲劳性能。Martin等研究者通过引入成核剂纳米颗粒来控制凝固过程，更易形成细小的等轴晶粒，减少裂纹形成的可能，从而解决了高强度铝合金的3D打印问题。通过该方法打印的3D合金，无裂纹，强度堪比传统的锻造产品。

视频来源：HRL Laboratories LLC

使用激光或电子束进行金属3D打印，部件在凝固过程中会因热裂（hot tearing）导致严重的裂纹（下图a/c/e）。而凝固过程中的热裂问题，几乎与著名的杜拉铝（duralumin）同时诞生，已经困扰了冶金行业超过100年。为此HRL实验室研究的首要目标是弄清楚如何彻底消除裂纹。研究者使用Al7075和Al6061两种铝合金材料，通过研究发现，加入功能化的成核剂纳米颗粒，再进行选择性激光熔化（selective laser melting）加工，可以诱导异相成核，促进等轴晶粒生长，从而降低凝固应变的影响，得到无裂纹、具有等轴晶粒微观结构的合金材料（下图b/d/f）。这种策略也能用于复杂结构产品的3D打印制造（下图g/h）

成核剂纳米颗粒对铝合金3D打印的影响。图片来源：Nature

研究者使用基于经典成核理论的软件分析了4500多种不同合金粉末和纳米粒子，这意味着有超过1150万种组合。针对每种组合进行分析，标识匹配的晶格间距和密度，使得配对晶格失配最小化，具有接近的原子堆积和热力学稳定性。最终，氢稳定的锆纳米颗粒被选为本文中铝合金材料的成核剂。实验过程中，先将传统的合金粉末和锆纳米颗粒进行静电组装，随后再进行激光熔融加工，就可以打印出高强度的铝合金结构，晶格失配率小于0.52%。

基于传统成核理论评估成核剂对合金凝固的改善。图片来源：Nature

研究者对比了Al7075在有无Zr成核剂纳米颗粒情况下3D打印产品的应力-应变曲线（以AlSi₁₀Mg作为对照），并测试了杨氏模量、屈服强度等机械性能参数。很明显，该方法3D打印的铝合金具有良好的机械强度和延展性，强度与锻造产品相当。

3D打印铝合金机械性能测试。图片来源：Nature

HRL实验室表示，该技术可用于研发更多种类的可3D打印合金粉末材料。同时，该思路不仅能应用在激光熔融3D打印设备，还可用于电子束熔融和基于定向能量沉积的3D打印设备中。此外，在接合、铸造及注射成型这些传统加工工艺中，也可以利用该方法减少凝固裂纹和热裂等问题。“我们用21世纪的机器，依靠‘70岁’的经典成核理论，解决了一个‘100岁’的问题。”John Martin调侃道。^[1]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

3D printing of high-strength aluminium alloys

Nature, 2017, 549, 365-369, Doi:10.1038/nature23894

参考资料：

1. http://www.hrl.com/news/2017/09/20/metallurgy-breakthrough-hrl-engineers-3d-print-high-strength-aluminum-solve-ages-old-welding-problem-using-nanoparticles

（本文由小希供稿）