大阪大學研究人員發(fā)現(xiàn)納米級蜂窩結構能顯著提升3D打印高溫合金強度

2025年7月10，南極熊獲悉，來自大阪大學的研究團隊對金屬3D打印技術自發(fā)、分級、特異性形成的微米級晶體層狀結構和納米級胞狀結構對強度的貢獻進行了定量的個體分析，發(fā)現(xiàn)胞狀結構（胞狀特定界面）是帶來極其顯著強度提升的因素。

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

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

為了明確各自的貢獻，以大阪大學研究生院工學研究科菊川太一（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，設計了獨特的掃描策略，分別確立了通過熱處理消除蜂窩狀結構和層狀結構的方法。

△用于獲得 (a) CLM 和 (e) SC 狀織構的掃描策略示意圖。(b, f) 逆極圖 (IPF) 圖和(c, g) 001 極圖表示所得織構，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度。

結果發(fā)現(xiàn)，層狀結構的存在使強度提高了幾個百分點，而蜂窩狀結構的存在使強度提高了40%，顯示出蜂窩狀結構極高的強化效果。

△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構，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，而淺藍色箭頭表示通過“側枝”進行的外延生長。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)的蜂窩狀結構的強化效果，結合目前已闡明的3D打印材料的強化機理和強度各向異性，以及3D打印所擅長的基于形狀的功能性，有望突破傳統(tǒng)機械功能的限制，大大拓展人工定制機械功能控制的范圍。

據(jù)報道，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度，材料特性在世界范圍內(nèi)日益受到關注。在此背景下，需要明確和控制強化因素的性質(zhì)和特性，以提高合金的強度，并實現(xiàn)強度的靈活設計。

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

這項研究中獲得的關于通過蜂窩結構進行強化的知識意味著，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)胞狀結構。換句話說，由于該成果可以應用于構成社會基礎設施產(chǎn)品的各種合金材料，研究人員預計連鎖反應將擴展到極其廣泛的工業(yè)領域。