加入奈米顆粒的合金粉末 Credit: B. Ferguson – HRL Laboratories

波音公司旗下的 HRL 實驗室最近發表了一項冶金技術的重大突破,利用 3D 列印方式製造高強度的鋁合金,如 7075 和 6061 鋁合金 (註一),這為 3D 列印技術開啟了應用在工程用合金上的一扇門。

這些合金廣泛應用在飛行器跟車輛上,但一直以來都無法透過 3D 打印製造,直到 HRL 的研究員的這個發現。額外的好消息是,他們的技術也可以應用在其他同樣無法以 3D 列印製造的合金種類,像是高強度鋼與鎳基超級合金 ( nickel-based superalloy )。

HRL 感應器與材料實驗室的工程師杭特.馬汀 ( Hunter Martin ) 說:「我們以 21 世紀的機器加上 70 年前的成核 ( nucleation ) 理論來解決這個百年難題。」

這個研究由馬汀與布萊南.八幡 ( Brennan Yahata ) 共同帶領。他們的研究成果── 3D 列印高強度鋁合金,於 9 月 21 日發表於《自然》期刊 ( Nature ) 上。

利用 3D 列印製造金屬,通常由鋪上薄層的合金粉末開始,用雷射或是其他直接熱源來熔化與固化薄層。通常使用 6061 或像 7075 這類不能焊接的鋁合金會發生嚴重的熱裂 ( hot cracking ),一種讓成品能像比司吉麵包一樣掰開的現象。

技術整合與突破

HRL 的奈米顆粒功能化 ( nanoparticle functionalization ) 技術,在不可焊接的合金粉末中加入挑選過的奈米顆粒,再將混合後的粉末放入 3D 列印機,列印機會將粉末鋪層並以雷射燒熔來建立三維物體。在熔化與固化的過程中,奈米顆粒扮演合金微結構中的成核點,防止加工零件產生熱裂現象並保留完整的合金強度。

因為增量製造中的熔化與固化過程可以類比到焊接,所以 HRL 的技術可以應用於焊接原本不可以焊接的金屬,它在規模上具備彈性並且使用低成本的材料,傳統的合金粉末加上奈米顆粒便成了列印機的原料,其中在粉粒 ( powder grains ) 的表面均勻散佈了奈米顆粒。

以信息學尋找奈米顆粒

馬汀解釋:「我們的第一個目標是找出如何根除熱裂發生,我們尋找控制微結構的方法,它應該在材料固化時會自然發生。」為了找出合適的奈米顆粒,HRL 團隊與 Citrine Informatics 信息學公司合作,在無數的可能中整理出有他們所需性質的奈米顆粒,以前例而言為鋯基 ( zirconium-based ) 的奈米顆粒。

八幡說:「使用信息學 ( informatics  ) 是關鍵。過去冶金學研究的方式是在週期表上逐一找尋可能的合金元素然後用試誤法驗證。信息學軟體是用選擇性的方法,透過我們已知的成核理論來找到有我們所需確切性質的材料。只要我們告訴他們要找的方向,他們的大數據分析便讓數十萬種可能的材料縮減到數種,我們再也不用大海撈針。」

有了這個令人興奮的新技術,HRL 站立在3D 列印金屬技術的尖端。

 

註一:該四位數字是來自國際合金命名系統(International Alloy Designation System)對鍛造用鋁合金的代號,第一位數字表示主要合金元素,如6000系列為鎂矽合金、7000系列為鋅合金,第二位代表該合金的改版,末兩位是該合金在系列中的編號。

 

參考資料:

  1. Engineers 3-D print high-strength aluminum, solve ages-old welding problem using nanoparticles. (n.d.). Retrieved October 01, 2017.
  2. Martin, J. H., Yahata, B. D., Hundley, J. M., Mayer, J. A., Schaedler, T. A., & Pollock, T. M. (2017). 3D printing of high-strength aluminium alloysNature, 549(7672), 365-369. doi:10.1038/nature23894
  3. Aluminium alloy. (2017, September 19). Retrieved October 01, 2017.
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