一種新型3D打印鋼材，使用成本低，具有超高強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性

3D打印技術(shù)參考注意到，來(lái)自南華大學(xué)和普渡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，近日開(kāi)發(fā)出一種新型的3D打印鋼質(zhì)合金，其成分為Fe-15Cr-3.2Ni-0.8Mn-0.6Cu-0.56Si-0.4Al-0.16C（wt.%）。

與當(dāng)前主流的其他3D打印鋼合金相比，它不需要多步熱處理，也不需要昂貴的合金元素。3D打印完成之后，僅需要簡(jiǎn)單的單步回火，就可以使材料獲得超高強(qiáng)度、高延展性，同時(shí)材料還具有優(yōu)異的耐腐蝕性。

圖文無(wú)關(guān)，僅做演示

研究指出，傳統(tǒng)3D打印超高強(qiáng)度鋼通常需要鈷、鉬或高濃度鎳等昂貴元素。制造出的零件必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的多步爐熱處理（固溶+淬火+多次回火）才能達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度。即使經(jīng)過(guò)這些處理，它們?nèi)匀蝗菀资艿礁g。

研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有依賴傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性試錯(cuò)化學(xué)方法，而是從文獻(xiàn)中收集了106組激光3D打印的高強(qiáng)鋼數(shù)據(jù)，并將81種元素的基本物理化學(xué)特征（包括原子半徑、電子行為和聲速）輸入到一個(gè)可解釋的機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，利用模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，確定最佳合金成分和單步熱處理工藝。

該模型最終確定了鐵和鉻的混合物，并添加少量硅、銅和鋁，是理想的合金配方。

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

研究人員采用激光定向能量沉積技術(shù)制備了這一新材料，并在480℃下進(jìn)行單步回火處理6小時(shí)。

測(cè)試表明，該鋼材能夠承受1713MPa的應(yīng)力，并在斷裂前拉伸了15.5%。這比其打印狀態(tài)的強(qiáng)度提高了約30%，延展性提高了一倍。研究指出，該新型鋼材的強(qiáng)塑性遠(yuǎn)超多數(shù)單步回火鋼，媲美多步回火處理后的鋼材。

沉積態(tài)和回火態(tài)試樣的力學(xué)性能：(a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b) 應(yīng)變加工硬化率曲線，(c) 經(jīng)單步熱處理和多步熱處理后，已報(bào)道的激光增材制造鋼的拉伸性能比較

研究指出，超高強(qiáng)度和高延展性歸因于固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)。回火后的試樣主要由板條馬氏體組成，并含有少量奧氏體、碳化物和納米析出物（AlN、NiAl和ε-Cu）。

該合金同時(shí)顯示出相比其他鋼材更加優(yōu)異的耐腐蝕性。在普通鋼材中，碳化物的形成會(huì)消耗周圍金屬中的鉻，從而形成易生銹的區(qū)域。 而本研究中的新型鋼材，基體中大量析出的ε-Cu、NiAl納米相，會(huì)排斥周圍的Cr原子，使其被“趕”到周邊基體中，且在集體中的均勻分布，而不是被消耗在碳化物中，從而降低了腐蝕敏感性。

用于經(jīng)濟(jì)高效、短流程、耐腐蝕的UHSDS設(shè)計(jì)策略

該方法降低了材料成本，并將熱處理時(shí)間縮短至一個(gè)六小時(shí)的步驟，在此過(guò)程中解決了通過(guò)增材制造生產(chǎn)高性能鋼材的兩個(gè)長(zhǎng)期存在的障礙。

3D打印技術(shù)參考注意到，南華大學(xué)對(duì)該鋼材的報(bào)道指出，它能夠滿足航空航天、國(guó)防軍工等國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵部件復(fù)雜成形和快速修復(fù)的迫切需求，為高效開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)度高韌性增材制造鋼開(kāi)辟了新途徑。

研究結(jié)果以“Interpretable machine learning integrated with physicochemical feature for developing additively manufactured ultra-high strength and ductility steel”為題發(fā)表在《國(guó)際極端制造雜志》上。

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