中国3D打印机网Nature子刊：利用X射线衍射跟踪金属3D打印过程，实现位错实时观测
2025年9月21日，美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室和其他大学的研究人员取得了一项重大科学进展，他们观察到了金属微观结构在 3D 打印过程中的实时变化。这一突破得益于阿贡国家实验室的先进光子源 (APS)，该设备是美国能源部科学办公室的用户设施。
△多物理场仿真显示了三个激光器的位置以及单道 316L 不锈钢的形貌和温度分布。插图展示了打印过程的代表性原位 X 射线图像。紫色方框标记了需要通过聚焦光束衍射进行表征的区域。
研究结果以题为“Evolution of dislocations
duringthe rapid solidification in additive
manufacturing”的论文发表在《自然通讯》杂志上。此前，科学家只能在打印过程完成后分析3D打印部件的微观结构。
项目首席研究员、西北大学教授、阿贡国家实验室担任兼职教授Sun说道：“金属是由排列有序的晶体结构的原子构成的。但在快速加热和冷却的情况下，一些原子会失去排列。这些缺陷——称为位错——会增强或削弱最终部件。”
研究团队利用APS的1-ID-E光束线，对常用的结构合金316L不锈钢进行了3D打印。他们利用实时X射线衍射追踪打印过程，直接测量位错的形成和扩散方式及时间。
△SS316L线激光 DED 工艺的原位同步加速器 X 射线衍射
APS 物理学家 Andrew Chuang 表示：“我们的分析表明，APS 在研究以前只能通过事后分析发现的缺陷方面非常强大。这是首次将这种实时技术应用于基于激光的方法，以研究金属丝中的位错演变。”
数据显示，位错形成较早，就像金属从液态变为固态一样。此前人们认为，位错形成较晚，是因为冷却和凝固过程中应力不断积累。一个关键因素是一种特殊的反应，即两种固相同时从液态中形成，从而产生高密度的位错。
△SS316L线激光 DED 工艺过程中微观结构的演变，从凝固到批量打印。
这种更深入的理解可以帮助工程师提高3D打印部件的强度和可靠性。通过调整打印变量，开发人员能够在微观层面精确控制位错的形成。通过这种方式，他们可以充分利用位错的有益特性，同时最大限度地减少有害特性。这些发现也可能促进新型合金的开发。调整不锈钢的化学成分——例如，调整铬或镍的比例，或添加铝等元素——可以影响位错的形成方式和应力的分布方式。
阿贡国家实验室核科学与工程部门的博士后研究员林高表示：“这种3D打印技术可以制造出可靠、超强且能够承受极端条件的定制金属部件。对于阿贡国家实验室和其他实验室目前正在设计的下一代核反应堆而言，它可能是制造先进金属部件的关键。”
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