新的金属3D打印技术，可精确控制合金成分和结构，比激光有优势

2025年8月14日

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3D打印技术参考注意到，加州理工学院的研究人员开发了一种新的金属3D打印技术，可以精确控制金属合金的成分和结构。他们所使用的工艺并不基于粉末输入与激光熔化，而是一种被称为水凝胶灌注的增材制造 (HIAM)技术。最新的研究成果发表在《Small》杂志上，因此具有关注价值。

经查询，这是一种微尺度打印方法，相关技术在2022年就被发表在nature正刊上面。3D打印技术参考回顾这则研究发现，该工艺首先使用SLA或DLP技术3D打印水凝胶支架，然后将该支架浸泡在液态金属盐溶液中，金属离子随之进入到水凝胶支架中。

接下来，充满金属离子的水凝胶支架将在空气中煅烧为金属氧化物，随后在N₂-H₂气氛中中进行还原，得到设计结构的金属或合金部件。在整个过程中，部件的形状得以保持，但会有60%到70%的线性收缩，同时在煅烧过程中大约会有65%到90%的质量损失。

CuNi 合金的HIAM制造过程

这项技术的显著特点是，煅烧和还原过程涉及复杂的相变和晶体生长过程。与传统的激光3D打印（LPBF和DED）不同，这项技术的微观结构演变是在固态下进行的。由于较慢的加热和冷却过程、大量的质量和体积损失以及在氧化物到金属相变过程中产生的机械应力，材料内产生了独特的微观结构特征。整个过程涉及到固态原子互扩散、烧结、晶粒生长和致密化同时进行并伴随着还原。

HIAM制造的Cu17Ni

加州理工学院材料科学、力学和医学工程系的研究人员表示：“材料的成分可以随意调整，这在传统的冶金工艺中是无法实现的。”该团队通过制造不同比例的铜镍合金证明了这种控制能力。

使用水凝胶制作的微型金属结构

研究人员开展了合金成分对HIAM产生的金属合金显微结构和机械响应的影响研究。通过在整个打印部件上进行纳米压痕来广泛表征其机械行为，包括双晶和晶界在微尺度上的影响。还利用电子背散射衍射和透射电子显微镜技术来研究HIAM合金由于其复杂的热历史和相变而产生的特定微观结构特征。为了直接探测由于晶格或纳米尺度缺陷引起的强化机制，而不受界面和宏观尺度特征的贡献，使用聚焦离子束（FIB）来铣削微尺度圆柱形微柱，并进行原位单轴纳米力学测试。在多个长度尺度上研究了HIAM合金的工艺-结构-性能关系。

与其他方法相比，HIAM工艺能够形成更均匀的晶体结构。该技术还会在合金中留下微小的氧化物夹杂物，从而提高合金的强度。由于金属在此过程中形成的方式复杂，发现纳米级结构富含金属-氧化物界面，这有助于提高合金的硬度。研究表明，合金强度取决于晶粒尺寸和成分，这挑战了先前关于金属强度因素的假设。