金屬3D列印重大突破！只需迦納米顆粒就能列印高強度鋁合金

增材製造（additive manufacturing）是指基於離散-堆積原理，由零件三維數據驅動直接製造零件的科學技術體系。基於不同的分類原則和理解方式，增材製造技術還有快速原型、快速成形、快速製造、3D 列印等多種稱謂。

目前，應用於 3D 列印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不鏽鋼、鐵粉、鋁粉和鋁合金等少數幾種，此外還有用於列印首飾用的金、銀等貴金屬材料。其中，鋁合金應用在 3D 列印中優勢在於其熔點低、密度低、可強化，並且可塑性好，易加工。但是，這種材料的缺陷在於，其化學活性高，導致加工安全性低；強度低，機械性能不佳。

最近，美國 HRL 實驗室（The Harvard Robotics Laboratory）取得了突破進展，研究人員們開發了一種3D 列印高強度鋁合金（包括典型的 AI7075 和 AI6061 ）的技術。

圖丨憑藉該項新技術，美國 HRL 實驗室站在了金屬增材製造（用於研究、工業和防護等）的前列。（來源：HRL 實驗室的 M. Durant ）

Hunter Martin 和 Brennan Yahata 是該研究團隊的共同領導人，他們都是 HRL 實驗室的工程師、加州大學的博士。Hunter Martin 表示，「我們利用 21 世紀的機器，基於 70 年前的成核理論，解決了 100 年來未能解決的問題。」相關論文9 月 21 日發表在《自然》期刊上。

增材製造金屬通常是利用合金粉末作為原料，經過激光或者其他直接加熱光源加熱，使其熔化然後凝固成薄層，逐層列印。一般而言，如果是高強度不可焊接的鋁合金，比如 Al7075 或者 AL6061，「列印」得到的產品會出現嚴重的熱裂紋，這些裂紋可能使金屬像薄餅乾一樣可能被扯斷。

HRL 實驗室利用納米顆粒功能化方法解決了這個問題，即利用特定的納米顆粒修飾高強度不可焊接的合金粉末。經修飾的粉末裝入 3D 印表機，它可以將粉末分層，然後通過激光熔化每一層，最終製造出三維物體。在熔化和固化的過程中，納米顆粒的角色就是合金微觀結構的成核位置，從而預防熱裂紋的出現並完整地保留合金強度。

圖丨修飾的粉末裝入 3D 印表機，它可以將粉末分層，然後通過激光熔化每一層，最終製造出三維物體。（來源：HRL 實驗室的 B. Ferguson）

增材製造過程中的熔化和固化類似於焊接，所以 HRL 實驗室的納米顆粒功能化可用於將不可焊接的合金變成可焊接的。另外，該項技術可規模化生產，並且採用低成本材料，即傳統的合金粉末和納米顆粒。其中，納米顆粒均勻分布在粉末顆粒的表面。

Martin 解釋，「我們的第一目標是徹底清除熱裂紋，主要是調控了微觀結構。」

為了找到合適的納米顆粒（鋯基納米顆粒），HRL 實驗室的研究團隊找到 Citrine Informatics 公司（該公司構建了體量龐大的材料資料庫），幫助他們在眾多可能的體系中尋找所需要的納米材料。

Yahata 解釋，「在我們的研究中，很關鍵的一點就是利用 informatics 軟體。冶金學通常就是根據元素周期表，找可能的合金元素，並不斷試錯。而利用 informatics 軟體，基於成核理論，則可以選擇性地尋找具有所需性能的材料。一旦我們告知 Citrine Informatics 需要找什麼，經過他們龐大的數據分析，就可以將可能的材料範圍從成百上千種縮減到具體的幾種，過程猶如大海撈針，難度可想而知。」

該技術開啟了工程用高強度合金增材製造的大門，並且製備出的合金非常適用於航空器和汽車零部件。

此外，該技術也適用於其他的合金體系，比如高強度鋼和鎳基超合金（目前用增材製造技術很難處理）。憑藉這個令人興奮的新技術，美國 HRL 實驗室也站在了金屬增材製造（用於研究、工業和防護等）的前列。

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