大阪大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)納米級蜂窩結(jié)構(gòu)能顯著提升3D打印高溫合金強(qiáng)度

2025年7月10，南極熊獲悉，來自大阪大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對金屬3D打印技術(shù)自發(fā)、分級、特異性形成的微米級晶體層狀結(jié)構(gòu)和納米級胞狀結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)進(jìn)行了定量的個(gè)體分析，發(fā)現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)（胞狀特定界面）是帶來極其顯著強(qiáng)度提升的因素。

相關(guān)研究以題為《Remarkable strengthening effectsof cells in laser powder bed fusion-processed Inconel 718/激光粉末床熔融加工的Inconel 718合金中胞狀結(jié)構(gòu)的顯著強(qiáng)化效果》的論文發(fā)表于《材料研究快報(bào)》（MaterialsResearch Letters）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2522801

為了明確各自的貢獻(xiàn)，以大阪大學(xué)研究生院工學(xué)研究科菊川太一（碩士課程）、石本卓也特任教授、中野隆義教授為首的研究小組，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的掃描策略，分別確立了通過熱處理消除蜂窩狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)的方法。

△用于獲得 (a) CLM 和 (e) SC 狀織構(gòu)的掃描策略示意圖。(b, f) 逆極圖 (IPF) 圖和(c, g) 001 極圖表示所得織構(gòu)，以及 (d, h) 產(chǎn)品中擇優(yōu)晶體取向的示意圖。IPF 圖的顏色對應(yīng)于投影到 BD 的晶體取向。極圖 (c) 中的箭頭表示由亞層晶體取向得出的強(qiáng)度。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層狀結(jié)構(gòu)的存在使強(qiáng)度提高了幾個(gè)百分點(diǎn)，而蜂窩狀結(jié)構(gòu)的存在使強(qiáng)度提高了40%，顯示出蜂窩狀結(jié)構(gòu)極高的強(qiáng)化效果。

△圖 2. (a, b) 垂直于激光掃描方向的橫截面 SEM 圖像，突出顯示了晶胞微觀結(jié)構(gòu)，并疊加了熔池邊界的痕跡。清晰地描繪了掃描策略的差異以及熔池邊界處的外延生長。白色箭頭表示熔池邊界處的直接外延生長，而淺藍(lán)色箭頭表示通過“側(cè)枝”進(jìn)行的外延生長。其中晶胞生長方向正交，但仍保持晶體取向。（c）熔池中心突然出現(xiàn)<001>//BD取向的晶粒。在后續(xù)層中，由于<001>取向的晶粒與熔池側(cè)壁接觸，因此晶體取向未被繼承。

本研究發(fā)現(xiàn)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果，結(jié)合目前已闡明的3D打印材料的強(qiáng)化機(jī)理和強(qiáng)度各向異性，以及3D打印所擅長的基于形狀的功能性，有望突破傳統(tǒng)機(jī)械功能的限制，大大拓展人工定制機(jī)械功能控制的范圍。

據(jù)報(bào)道，采用LPBF法制備的各種合金比采用鑄造等傳統(tǒng)方法制備的合金具有更高的強(qiáng)度，材料特性在世界范圍內(nèi)日益受到關(guān)注。在此背景下，需要明確和控制強(qiáng)化因素的性質(zhì)和特性，以提高合金的強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的靈活設(shè)計(jì)。

然而，由于金屬3D打印物體內(nèi)部存在多種不同尺度的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，很難分離出每種獨(dú)特結(jié)構(gòu)引起的強(qiáng)化，也無法定量識別強(qiáng)化因素。

這項(xiàng)研究中獲得的關(guān)于通過蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化的知識意味著，用 LPBF 生產(chǎn)的零件替代傳統(tǒng)制造的零件，不僅有可能帶來制造方法的改變，而且還會顯著改善產(chǎn)品的機(jī)械功能及其超輕量化。

基于凝固過程中的濃度分布，LPBF工藝中許多合金體系都會出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)。換句話說，由于該成果可以應(yīng)用于構(gòu)成社會基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品的各種合金材料，研究人員預(yù)計(jì)連鎖反應(yīng)將擴(kuò)展到極其廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。