近日，来自澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队联合莫纳什大学、纽卡斯尔大学、澳大利亚ANSTO中心及南方科技大学的学者，在国际顶尖期刊《Nature Communications》发表了最新研究成果“High performance plain carbon steels obtained through 3D-printing” https://doi.org/10.1038/s41467-024-54507-4。他们利用先进的3D打印技术，成功将历史悠久的碳素钢材料转化为高强度、高韧性的现代工程材料。

文章的第一作者谭启玚博士表示：“这项研究不仅证明了3D打印技术在传统材料创新中的巨大潜力，也为实现可持续发展的材料设计提供了全新思路。”

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这项研究巧妙利用3D打印技术的微区融化及快速冷却特性，实现了碳素钢微观组织的显著优化。通过调整打印参数，研究人员成功在最简单的铁-碳合金体系中获得了性能媲美甚至超越复杂合金钢的机械性能。并且，他们通过这项技术避免了传统热处理可能引发的裂纹和变形问题，为工程领域提供了一种高效的材料解决方案。

背景介绍

过去一个世纪，为满足工业对强度、韧性等性能的需求，工程金属材料的设计逐渐走向复杂化。例如，钢铁材料中添加了大量合金元素以优化微观结构和性能。然而，合金成分的复杂化不仅提高了成本，还导致资源依赖性增强、回收难度加大，甚至存在供应链风险等隐患。因此，“材料简化”这一理念逐渐受到关注，即通过减少合金成分复杂度，探索简单材料体系在满足性能需求的同时降低成本和环境影响的可能性。

研究出发点

该团队采用激光粉末床熔融（L-PBF） 3D打印技术，充分利用其高速冷却（10⁴~10⁷ K/s）的特性，将最简单的铁-碳成分设计转化为高性能的工程材料。他们发现，打印过程中局部微熔池的快速凝固可直接生成超细马氏体和纳米贝氏体组织，避免了传统冶金中需要额外合金化以及热处理才能获得的微观结构。同时，通过调控打印参数，团队实现了材料性能的定制化，为工程应用提供了灵活选择。

研究中，团队以打印一个几何复杂的1080碳素钢齿轮为例进行说明（如图1所示）。传统淬火技术无法在如此复杂的结构中实现均匀硬化，但3D打印技术凭借逐层冷却特性轻松解决了这一问题，使齿轮具备优异的力学性能和结构完整性。为了进一步验证3D打印的性能优势，团队制作了一个L形1080钢部件，并对比了传统淬火处理和3D打印的效果。传统淬火导致了明显的裂纹和几何变形，而3D打印件则完全避免了这些问题，展现了3D打印技术在复杂部件中的优势。

通过对3D打印的AISI 1040以及AISI 1080碳素钢微观结构进行显微表征，研究人员发现材料中形成了超细马氏体和纳米贝氏体组织 （图2）。这些微观结构不仅提高了材料的强度，还改善了韧性，展现出良好的性能平衡。研究进一步揭示，高速冷却的特点抑制了珠光体的形成，同时逐层打印的热循环起到了自回火作用，有效缓解了残余应力。

图1 | 传统方法与金属3D打印在AISI 1080碳素钢淬透性方面的表现：(a) 激光粉末床熔融（L-PBF）金属3D打印工艺示意图，其中插图 (a1) 展示了1080钢粉末原料的形貌。(b) 放大图展示了(a)标记区域的典型“鱼鳞状”熔池结构。(c) 使用1080钢粉末通过L-PBF工艺打印的斜齿轮，图中显示了坐标系统表示的平面方向（Z轴为打印方向）。(d) 齿轮在XZ平面（上方）和XY平面（下方）的截面硬度分布，箭头标示了(c)中的测量位置。(e) 标准Jominy端淬测试的示意图。(f) 传统锻造1080钢Jominy端淬样品和3D打印1080钢Jominy端淬样品的硬度分布。(g) 1080钢L形演示件，经过传统水淬处理后产生的变形和裂纹，如 (g1) 的光学显微图所示。(h) 对比之下，3D打印样品具有无裂纹且无变形的结构完整性，如 (h1) 的光学显微图所示。(i) 不同激光能量输入条件下3D打印1080钢的致密化行为和硬度分布。

图2 | 3D打印1080钢的微观结构分析 (a) X射线衍射（XRD）光谱。(b-d) 不同能量输入（b 69 J/mm³，c 93 J/mm³，d 116 J/mm³）条件下样品的电子背散射衍射（EBSD）反极图（IPF）映射，坐标系统显示了平面方向（Z轴为打印方向）。(e-g) 从(b-d)中获取的平均晶带对比（BC）映射，颜色标尺表示晶带对比（BC）值。(h) 聚焦离子束（FIB）在(e)标记区域制备的样品。(i) 低能量输入样品的明场透射电子显微镜（TEM）图像，白色虚线圈定了高BC值的α'块，B和M分别表示贝氏体和马氏体α'-板条。(j, m) 来自(i)中标记区域的高倍率TEM图像，接近 [011]α' 晶区轴。(k, n) 分别对应(j)和(m)的电子衍射图，显示出α' 和相应相之间的取向关系。(l, o) 分别从(k)和(n)中标记的衍射点获得的暗场TEM图像。

实验结果表明，3D打印碳素钢在马氏体主导的微观结构下，表现出接近2 GPa 的抗拉强度，同时通过优化打印参数获得了更优异的强韧性组合（图3）。与传统锻造的碳素钢钢相比，3D打印件实现了更高的强度和韧性。在与其他超高强度合金钢（UHSS）的对比中，3D打印1080钢同样表现出显著优势。3D打印碳素钢的强度与韧性组合不仅超越了低、中合金超高强度钢（如4140、4340、8540、300M、H13钢），甚至与高端合金钢（如18Ni(300)马氏体时效钢）相媲美。

图3| 机械性能： (a) 不同激光能量输入条件下3D打印1080钢的典型工程拉伸应力-应变曲线，插图和箭头显示了样品的截面方向和打印方向（BD）。(b) 不同激光能量输入条件下3D打印1040钢的典型工程拉伸应力-应变曲线，插图同样显示了样品的截面方向和打印方向（BD）。(c, d) 阿什比图，展示3D打印(c)1080钢和(d)1040钢的机械性能，与传统锻造同级钢材相比。(e, f) 阿什比图对比3D打印碳素钢与典型商业化超高强度钢（UHSS）的机械性能，(e) 显示屈服强度与延伸率的关系，(f) 显示屈服强度与冲击能量的关系。(g) 阿什比图比较3D打印碳素钢与其他3D打印UHSS的机械性能，展示了不同加工条件下的性能组合。

研究亮点

·简化合金设计：无需复杂的化学成分，仅通过铁和碳实现卓越性能。

·突破性性能：3D打印碳素钢的强度和韧性超越了一些传统超高强度合金钢。

·环保与可持续性：减少稀有合金元素的使用，推动材料的可回收性和资源安全性。

课题组介绍

澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院先进材料制造课题组张明星教授，自获得博士学位以来，张明星教授在固体相变晶体学、铸造金属的晶粒细化及金属表面工程领域建立了国际公认的学术声誉。他是著名的边对边匹配模型（edge-to-edge matching model）的发明者，也是该领域的世界先驱。他成功地将晶体学模型应用于晶粒细化机制的研究，并开发出更高效的新型铸造金属晶粒细化剂，为该项目的提出奠定了基础。

近年来，张教授积极投身金属增材制造领域，将铸造金属晶粒细化技术与金属3D打印相结合。他与团队利用边对边匹配模型，成功开发出多种铝合金、钛合金和金属间化合物的晶粒细化剂。此外，他们还开发了“超声振动法”和“逐层吸附法”，实现了金属粉末与纳米颗粒的均匀混合。这些技术为增材制造复杂金属部件提供了全新的解决方案。与此同时，张教授还是钢铁、高温及耐腐蚀合金以及轻合金领域的国际权威专家。

自2003年以来，张明星教授作为首席研究员（CI）成功主持并获得了以下重大研究项目及科研经费支持：9项澳大利亚研究理事会（ARC）探索研究项目（DP）；2项ARC产业合作项目（LP）；5项ARC重大基础设施项目（LIEF），其中2项为首席CI；1项ARC国际合作项目（LX）；2项CSIRO旗舰项目（通过CRC CAST资助）；10项来自企业的产业资助项目，包括河北钢铁集团（HBIS）、宝钢、赤诚矿业以及江苏永安泵业有限公司（开发泵类应用的3D打印技术）。此外，他还获得了多项国际合作基金和机构资助，包括：澳大利亚教育、科学与培训部（DEST）资助的中澳科技合作专项基金；澳大利亚-德国联合研究合作计划下的UA-DAAD基金；昆士兰大学内部科研资助。在过去15年间，张教授累计获得科研经费达1550万澳元（仅包括分配至其名下的资金），为多个领域的基础研究和产业应用做出了重要贡献。

澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院先进材料制造课题组谭启玚博士，自2018年获得博士学位后，谭博士在昆士兰大学担任全职博士后研究员。自2022年起，他荣获昆士兰大学研究激励计划学者（UQ Research Stimulus Fellowship）。2022年底，他晋升为研究员，博导。目前，他的研究重点包括：基于机器学习（ML）开发先进合金；金属的相变研究；增材制造技术。他在研究中取得了一系列重要突破，包括：开发了预测铝合金力学性能的新型机器学习模型；针对钢铁、铝合金、铜合金及γ-TiAl金属间化合物开发了创新晶粒细化技术；提出了利用商业金属和陶瓷粉末原位制备MAX相化合物的新方法。

自2016年以来，谭博士在相关领域国际顶尖期刊上发表了70篇学术论文，其中30篇为第一作者或通讯作者。其研究成果总引用次数超过3000次，Google Scholar统计的H指数为33。

自2020年以来，谭博士作为首席研究员（CI）成功获得了1项澳大利亚研究理事会ARC-LIEF资助，1项澳大利亚研究理事会ARC LP资助和5项来自企业的产业资助项目，包括宝钢、河北钢铁集团（HBIS）等行业领头企业。总资助金额超过 $200万澳元。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-024-54507-4