一种新型3D打印钢材，使用成本低，具有超高强度、韧性和耐腐蚀性

3D打印技术参考注意到，来自南华大学和普渡大学的研究团队，近日开发出一种新型的3D打印钢质合金，其成分为Fe-15Cr-3.2Ni-0.8Mn-0.6Cu-0.56Si-0.4Al-0.16C（wt.%）。

与当前主流的其他3D打印钢合金相比，它不需要多步热处理，也不需要昂贵的合金元素。3D打印完成之后，仅需要简单的单步回火，就可以使材料获得超高强度、高延展性，同时材料还具有优异的耐腐蚀性。

图文无关，仅做演示

研究指出，传统3D打印超高强度钢通常需要钴、钼或高浓度镍等昂贵元素。制造出的零件必须经过复杂的多步炉热处理（固溶+淬火+多次回火）才能达到目标强度。即使经过这些处理，它们仍然容易受到腐蚀。

研究团队没有依赖传统的经验性试错化学方法，而是从文献中收集了106组激光3D打印的高强钢数据，并将81种元素的基本物理化学特征（包括原子半径、电子行为和声速）输入到一个可解释的机器学习算法中，利用模型进行多目标优化，确定最佳合金成分和单步热处理工艺。

该模型最终确定了铁和铬的混合物，并添加少量硅、铜和铝，是理想的合金配方。

通过机器学习实现的多目标优化结果

研究人员采用激光定向能量沉积技术制备了这一新材料，并在480℃下进行单步回火处理6小时。

测试表明，该钢材能够承受1713MPa的应力，并在断裂前拉伸了15.5%。这比其打印状态的强度提高了约30%，延展性提高了一倍。研究指出，该新型钢材的强塑性远超多数单步回火钢，媲美多步回火处理后的钢材。

沉积态和回火态试样的力学性能：(a) 工程应力-应变曲线，(b) 应变加工硬化率曲线，(c) 经单步热处理和多步热处理后，已报道的激光增材制造钢的拉伸性能比较

研究指出，超高强度和高延展性归因于固溶强化、析出强化和相变诱导塑性（TRIP）效应。回火后的试样主要由板条马氏体组成，并含有少量奥氏体、碳化物和纳米析出物（AlN、NiAl和ε-Cu）。

该合金同时显示出相比其他钢材更加优异的耐腐蚀性。在普通钢材中，碳化物的形成会消耗周围金属中的铬，从而形成易生锈的区域。 而本研究中的新型钢材，基体中大量析出的ε-Cu、NiAl纳米相，会排斥周围的Cr原子，使其被“赶”到周边基体中，且在集体中的均匀分布，而不是被消耗在碳化物中，从而降低了腐蚀敏感性。

用于经济高效、短流程、耐腐蚀的UHSDS设计策略

该方法降低了材料成本，并将热处理时间缩短至一个六小时的步骤，在此过程中解决了通过增材制造生产高性能钢材的两个长期存在的障碍。

3D打印技术参考注意到，南华大学对该钢材的报道指出，它能够满足航空航天、国防军工等国家重点领域关键部件复杂成形和快速修复的迫切需求，为高效开发超高强度高韧性增材制造钢开辟了新途径。

研究结果以“Interpretable machine learning integrated with physicochemical feature for developing additively manufactured ultra-high strength and ductility steel”为题发表在《国际极端制造杂志》上。

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