3D打印过程中的X射线衍射，彩色显微图像显示了材料内不同晶粒的方向

美国国家标准与技术研究院（NIST）、瑞典KTH皇家理工学院和其他机构的研究人员使用两种不同的粒子加速器设备，观察了钢在3D打印过程中熔化和凝固时的内部结构。该研究发现已发表在《Acta Materialia》上，为3D打印专业人士开启了一种计算工具，为他们提供了更强的预测和控制打印部件特性的能力，从而有可能提高该技术在大规模制造中的一致性和可行性。

打印金属件的常见方法基本上是用激光将粉末金属逐层焊接成所需的形状。在用金属合金打印的第一步中，材料会迅速升温和冷却，其原子堆积成有序的晶体结构。晶体决定了打印部件的特性，例如韧性和耐腐蚀性。可以出现不同的晶体结构，每个都有其优缺点。

该研究的合著者NIST物理学家Fan Zhang表示：“基本上，如果我们能够在印刷过程的初始步骤中控制微观结构，那么我们就可以获得所需的晶体，并最终确定增材制造零件的性能。”

虽然印刷过程浪费的材料更少，并且可以用来生产比传统制造方法更复杂的形状，但研究人员一直在努力掌握如何将金属导向特定种类的晶体。但这种知识的缺乏往往导致不太理想的结果，例如形状复杂的零件由于其晶体结构问题会过早出现开裂。Zhang表示，在通常制造的数千种合金中，只有少数可以使用增材制造技术生产。

正在运行的激光粉末床融合型3D打印机

科学家面临的挑战之一是金属3D打印过程中的凝固是发生一瞬间的。为了捕捉高速现象，这项新研究的作者在阿贡国家实验室的高级光子源和保罗谢尔研究所的瑞士光源中使用了由循环粒子加速器（称为同步加速器）产生的强大X射线。

该团队试图了解可由激光功率和运动设置控制的金属冷却速率如何影响晶体结构。然后研究人员将数据与80年代开发的描述合金凝固的广泛使用的计算模型的预测进行比较。虽然该模型在传统制造过程中值得信赖，但在3D打印快速温度变化的独特背景下，它的适用性一直没有定论。

研究合著者KTH皇家理工学院材料科学与工程副教授Greta Lindwall说：“同步加速器实验既耗时又昂贵，所以不能针对每种条件都运行。但它们对于验证模型非常有用，然后可以使用这些模型来模拟有趣的条件。”

在同步加速器内，研究人员为热加工工具钢设置了增材制造条件。顾名思义，热加工工具钢是一种用于制造耐高温工具的金属。

当激光将金属液化并出现不同的晶体时，X射线束以足够的能量和速度探测样品，以生成转瞬即逝过程的图像。研究团队需要两个独立的设施来支持他们想要测试的冷却速率，温度范围从每秒数万到超过一百万开尔文。

研究人员收集的数据描述了奥氏体和δ铁素体两种晶体结构之间的推力和拉力，后者与打印部件的开裂有关。随着冷却速度超过每秒150万开尔文（270万华氏度），奥氏体开始主导其竞争对手。这个临界阈值与模型预测的一致。该模型长期以来一直是传统制造中材料设计的可靠工具，现在3D打印领域可能会得到同样的支持。

结果表明，该模型可以为科学家和工程师提供信息，让他们知道在印刷过程的早期固化步骤中应该选择什么样的冷却速率，从而在材料中出现最佳的晶体结构。通过数据来验证模型，将加速增材制造在工业用途中的广泛采用。