金属3D打印技术在提高设计自由度和制造灵活性方面具有优势，已在航空航天零部件、医疗植入物等领域发挥着日益重要的作用。然而，目前只有少数合金材料能够可靠的用于金属3D打印技术，如Inconel 718、TiAl6V4、CoCr、AlSi10Mg。
在超过5,500种合金材料中，绝大多数材料仍无法通过金属3D打印技术制造。美国HRL 实验室指出，影响合金材料在增材制造工艺中使用的原因是，打印过程中材料的熔融和凝固产生了具有大柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。HRL 实验室表示，可以通过在增材制造材料中引入纳米颗粒成核剂的方式来解决这一问题。 本期，3D科学谷就与谷友共同了解一下HRL 实验室在这一领域的科研成果。
扩展金属3D打印材料种类与应用
HRL 实验室的相关研究论文 3D printing of high-strength aluminium alloys 已发表在2017年9月21日的《自然》杂志中。
在研究中，科研人员使用的铝合金材料为Al7075和Al6061。在激光高能环境中进行金属3D打印将导致金属部件遭受严重热裂纹，因此HRL 实验室研究的首要目标是弄清楚如何彻底消除热裂纹。
通过选择性激光熔化技术进行金属合金的增材制造，图片来源：nature.com
3D科学谷了解到HRL 的思路是控制微观结构。实验室的研究人员根据晶体学信息选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组装到了7075和6061系列铝合金粉末中。
增材制造金属原材料的纳米颗粒组装，图片来源：nature.com
在用成核剂进行功能化之后，HRL 的研究人员发现这些先前与增材制造制造不相容的高强度铝合金可以使用粉末床选择性激光熔化设备进行成功的加工。成型后的材料无裂纹，等轴（即，其长度，宽度和高度上的晶粒大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度。
增材制造铝合金的凝固行为，图片来源：nature.com
HRL 实验室表示，这一技术可用于研发更多种类的3D打印合金粉末材料，这些材料不仅可以应用在粉末床选择性激光熔化3D打印设备，还可以用于粉末床电子束熔化和基于定向能量沉积3D打印技术的设备中。
这种方式将使金属3D打印设备能够加工更多的合金材料，并将扩展金属3D打印技术的应用范围，例如可以加工镍超合金和金属间化合物。此外，该技术还可以用于接合，铸造和注射成型这些传统加工技术中，在使用这些技术加工的过程中也存在凝固裂纹和热撕裂等问题。
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