在古代,人們把在高溫下燒紅的生鐵反復(fù)錘打,最終使生鐵轉(zhuǎn)化為鋼。現(xiàn)在,英國劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個小組革新了技術(shù),開發(fā)出一種三維(3D)打印金屬的新方法,可以在打印過程中將結(jié)構(gòu)變化“編程”到金屬合金中,微調(diào)它們的性能,而無需使用已延續(xù)了數(shù)千年的“加熱鍛打”工藝。該方法可降低成本,更有效地利用資源。研究結(jié)果發(fā)表在30日的《自然·通訊》雜志上。
自青銅時代以來,金屬部件一直是通過加熱和鍛打的過程制成的。這種方法用錘子使材料硬化,然后用火軟化,使人們可以將金屬制成所需的形狀,同時賦予其柔韌性或強度。加熱和鍛打之所以如此有效,是因為它改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而可以控制其性能。
目前3D打印技術(shù)的主要缺點之一是無法以相同的方式控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此次,團隊開發(fā)了一種3D打印金屬的新策略,可在材料被激光熔化時對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行高度控制。通過控制材料在熔化后凝固的方式,以及在此過程中產(chǎn)生的熱量,研究人員可以對最終材料的性質(zhì)進行編程。
而當(dāng)3D打印的金屬部件被放置在相對較低的溫度下時,它會觸發(fā)微觀結(jié)構(gòu)的受控重構(gòu),這一策略可以完全控制金屬的強度和韌性。
研究人員發(fā)現(xiàn),在3D打印過程中,激光可以被用作微型“錘子”,使金屬變硬。然而,用相同的激光第二次熔化金屬會使其結(jié)構(gòu)松弛,從而允許在將零件放入爐中時進行結(jié)構(gòu)的重新配置。他們的3D打印鋼材經(jīng)過理論設(shè)計和實驗驗證,其性能可與加熱和鍛打制成的鋼材相媲美。
鋼和鐵,從構(gòu)成元素上來說,并無太大區(qū)別。鐵可以被煉成鋼。簡單來說,經(jīng)過高溫煅燒等工序,鐵中的含碳量降低了,就成了鋼。鋼制品強度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工……多種優(yōu)點讓它一下子甩開了鐵好幾個檔次。這些微妙而復(fù)雜的化學(xué)過程,如今在3D打印中得到了復(fù)現(xiàn)。研究團隊用激光改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而控制材料性能。我們還會在鋼中加入鉻、錳等元素,未來3D打印的鋼材或許也能繼續(xù)升級,呈現(xiàn)出不同的合金鋼特性。
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