Nature子刊：利用X射線衍射跟蹤金屬3D打印過程，實現(xiàn)位錯實時觀測

2025年9月21日，南極熊獲悉，美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和其他大學的研究人員取得了一項重大科學進展，他們觀察到了金屬微觀結(jié)構(gòu)在 3D 打印過程中的實時變化。這一突破得益于阿貢國家實驗室的先進光子源 (APS)，該設(shè)備是美國能源部科學辦公室的用戶設(shè)施。

△多物理場仿真顯示了三個激光器的位置以及單道 316L 不銹鋼的形貌和溫度分布。插圖展示了打印過程的代表性原位 X 射線圖像。紫色方框標記了需要通過聚焦光束衍射進行表征的區(qū)域。

研究結(jié)果以題為“Evolution of dislocations duringthe rapid solidification in additive manufacturing”的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。此前，科學家只能在打印過程完成后分析3D打印部件的微觀結(jié)構(gòu)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59988-5

項目首席研究員、西北大學教授、阿貢國家實驗室擔任兼職教授Sun說道：“金屬是由排列有序的晶體結(jié)構(gòu)的原子構(gòu)成的。但在快速加熱和冷卻的情況下，一些原子會失去排列。這些缺陷——稱為位錯——會增強或削弱最終部件?！?/div>

研究團隊利用APS的1-ID-E光束線，對常用的結(jié)構(gòu)合金316L不銹鋼進行了3D打印。他們利用實時X射線衍射追蹤打印過程，直接測量位錯的形成和擴散方式及時間。

△SS316L線激光 DED 工藝的原位同步加速器 X 射線衍射

APS 物理學家 Andrew Chuang 表示：“我們的分析表明，APS 在研究以前只能通過事后分析發(fā)現(xiàn)的缺陷方面非常強大。這是首次將這種實時技術(shù)應(yīng)用于基于激光的方法，以研究金屬絲中的位錯演變?！?/div>

數(shù)據(jù)顯示，位錯形成較早，就像金屬從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)一樣。此前人們認為，位錯形成較晚，是因為冷卻和凝固過程中應(yīng)力不斷積累。一個關(guān)鍵因素是一種特殊的反應(yīng)，即兩種固相同時從液態(tài)中形成，從而產(chǎn)生高密度的位錯。

△SS316L線激光 DED 工藝過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變，從凝固到批量打印。

這種更深入的理解可以幫助工程師提高3D打印部件的強度和可靠性。通過調(diào)整打印變量，開發(fā)人員能夠在微觀層面精確控制位錯的形成。通過這種方式，他們可以充分利用位錯的有益特性，同時最大限度地減少有害特性。

這些發(fā)現(xiàn)也可能促進新型合金的開發(fā)。調(diào)整不銹鋼的化學成分——例如，調(diào)整鉻或鎳的比例，或添加鋁等元素——可以影響位錯的形成方式和應(yīng)力的分布方式。

阿貢國家實驗室核科學與工程部門的博士后研究員林高表示：“這種3D打印技術(shù)可以制造出可靠、超強且能夠承受極端條件的定制金屬部件。對于阿貢國家實驗室和其他實驗室目前正在設(shè)計的下一代核反應(yīng)堆而言，它可能是制造先進金屬部件的關(guān)鍵?！?/div>