合金調整：掌控金屬微結構，提升3D列印品質

就像雪花融化後，其精緻的結構消失，重新結凍時又會產生變化一樣，金屬的微結構在3D列印過程中也會改變，這會導致列印成品出現強弱不均的情況。康乃爾大學的研究人員發現了一種方法，可透過調整合金成分來控制金屬凝固過程中的這些轉變，最終製造出更堅固、更可靠的金屬零件。

該研究成果發表於《自然通訊》期刊，它以前所未有的視角呈現了3D列印過程中發生的相變化，並有望改善增材製造所使用的材料。康乃爾工程學院西布利機械與航空航天工程學院助理教授、阿雷夫和馬農・拉哈姆教職學者阿蒂耶・莫里迪表示：「一個主要問題是，我們列印的大多數材料會形成柱狀結構，這會在某些方向上削弱材料的強度。我們發現，透過調整合金成分，基本上可以破壞這些柱狀結構，從而製造出更均質的材料。」

研究團隊透過調整起始材料中錳和鐵的相對含量，抑制了柱狀晶粒的生長，顯著縮小了晶粒尺寸，並提高了最終金屬的屈服強度。莫里迪指出：「像晶粒尺寸這樣的微結構特徵，是決定材料性能和特性的基本要素。材料成分控制著相穩定性，這是我們控制微結構的關鍵。」

該研究的第一作者、2024年博士畢業的若井茜表示，在列印過程的相變化中，柱狀晶粒結構會在短短不到一秒的時間內形成並生長，這就是為什麼科學家先前難以研究這一現象的原因。若井茜說：「難的部分在於要解析材料從液態轉變為固態的極短時間段。最終產品不會留下其早期狀態的痕跡，這就好比試圖從一滴融化的水中推測雪花原來的樣子。」

研究團隊利用康乃爾高能同步輻射光源，獲得了列印過程中材料在不到一秒時間內的數據，從而克服了這一難題。莫里迪表示，在性能最佳的樣本中，「我們發現了一種中間相的跡象，它有助於破壞那些柱狀晶粒，並細化晶粒結構。」

了解起始合金的材料特性以及由此產生的相變化，可能為3D列印選擇金屬材料奠定新的基礎。若井茜說：「這項研究成果可用於實際應用，製造出更可靠的材料，從而實現更好的性能。在不久的將來，我們甚至會在汽車或電子產品等消費品中看到3D列印的金屬零件。」

提高3D列印金屬的可靠性對製造業來說可能是一大福音。若井茜指出，金屬3D列印有著「設計自由度高的優勢，能夠減輕重量、縮短製造時間、減少材料浪費，還能製造出透過傳統方法難以或無法製造的特徵。」