大馬士革鋼是中世紀金屬材料的神話，用其鍛造的刀劍堅韌鋒利。因刀劍通體呈現(xiàn)出紛繁的水紋狀花紋，更為大馬士革鋼增添了不少神秘的色彩。由于大馬士革鋼制武器在戰(zhàn)爭中有著極大的威力，當時的統(tǒng)治者嚴密控制這種鋼制造方法的傳播。隨著火器時代的到來，大馬士革鋼的制造方法也逐漸失傳。現(xiàn)代有不少冶金學家曾試圖尋找冶煉鑄造的方法，然而成功者寥寥。

      19世紀，俄國著名冶金學家阿諾索夫（Pavel Anosov）發(fā)現(xiàn)大馬士革鋼的含碳量為~1.4%。對刀劍表面花紋的研究，整個20世紀始終未曾停歇，并且因此促進了金屬材料的制備從工藝走向科學，更催生了金相學的誕生。目前比較統(tǒng)一的觀點認為，大馬士革鋼是由經驗豐富的鐵匠將硬鋼和軟鋼反復折疊和鍛造而行成，這使得材料具有優(yōu)異的強度和延展性，同時表面產生了水紋狀花紋。

       近日，德國馬克斯•普朗克鋼鐵研究所的Philipp Kürnsteiner等研究者在Nature 雜志上發(fā)表論文，以鐵鎳鈦合金鋼（Fe19Ni5Ti）為原料，通過定向能量沉積法（directed energy deposition，DED）實現(xiàn)了金屬的激光增材制造（即，激光3D打印）。他們受到古代鐵匠鍛造大馬士革鋼的啟發(fā)，設計了軟硬層交替組成的鋼材。通過調整DED工藝參數(shù)獲得不同性能的層狀微結構，他們成功制備了具有軟硬層交替結構的鋼材。這種鋼材具有1,300 MPa的拉伸強度和10％的伸長率，機械性能要優(yōu)于古代的大馬士革鋼。工藝中所用的原位沉淀強化和局部微結構控制的理念，可應用于各種沉淀硬化合金和不同的增材制造工藝。

3D打印大馬士革鋼。圖片來源：馬普所官網，F(xiàn)rank Vinken

       目前金屬3D打印主要有三種方法：噴射成型、粉末床熔融、定向能量沉積（DED）。其中金屬噴射技術雖然成本較低但是能夠打印的零件大小非常有局限性，并且打印的部件結構和表面質量都會精度較低；金屬粉末床熔融技術優(yōu)勢是可以獲得較好的零件表面精度和內部結構，但成本非常高，并且不能對既有的零組件進行修復；而定向能量沉積既有高性價比，又可實現(xiàn)各種尺寸零件的快速成型。

在DED工藝中，金屬粉末被激光加熱熔化，通過噴嘴打印到預先編程的位置。本文研究者設計的巧妙之處在于，每打印四層之后，就暫停激光器120秒。這段沒有激光加熱的時間里，樣品會降溫，并在已打印的鋼材之上形成一條暗帶。引人注意的是，暗帶比連續(xù)打印的材料硬度高出約100 HV。

DED工藝打印復合鋼材工藝及暗帶不同尺度的結構。圖片來源：Nature

       原子探針層析成像（APT）分析顯示，較硬的暗帶區(qū)域發(fā)生了兩次連續(xù)的原位相變：第一次是奧氏體到馬氏體的轉變，第二次是馬氏體內部的沉淀。鎳-鈦η-相沉淀在馬氏體中的析出，是導致暗帶更硬的主要原因。這與商業(yè)化的馬氏體時效鋼通過昂貴且費時的時效熱處理產生沉淀增加硬度的方法異曲同工。有意思的是，如果工藝中沒有暫停的這120秒，就不會產生較硬的暗帶。

軟硬區(qū)原子探針層析成像（APT）分析。圖片來源：Nature

原子探針層析成像三維重構。圖片來源：Nature

        由于DED需要逐層打印，一層高溫熔化的鋼材凝固時，會形成奧氏體；而在該層之上增加的下一層高溫熔化的材料，會對已凝固的該層材料產生再加熱效果，如此往復，就會產生原位熱處理（intrinsic heat treatment，IHT）效果，這種效果能夠觸發(fā)沉淀，增強硬度。不過，由于所用鋼材合金元素在奧氏體中的溶解度較高，因此沉淀僅在馬氏體中發(fā)生。而馬氏體的形成有個前提，那就是溫度要降至馬氏體起始溫度Ms以下。

       看到這里，諸位估計就能大體明白“暫停”的關鍵作用。如果DED工藝中不暫停激光器加熱，打印鋼材的溫度將持續(xù)升高，凝固后形成的奧氏體也不能轉變?yōu)轳R氏體。在這種情況下，馬氏體只在DED完成后的最終冷卻過程中形成，但這時又沒有了進一步的IHT，就不會形成暗帶（下圖C紅框），更沒有了沉淀析出對鋼材硬度的加強。而加上“暫停”就不一樣了，在暫停過程中鋼材降溫，發(fā)生奧氏體到馬氏體的轉變；暫停結束后再接著打印下一層，熔融的金屬對暫停時形成的馬氏體進行IHT，就能在形成的馬氏體中產生沉淀，提高硬度。

原位熱處理（IHT）、時間-溫度譜及不同暫停時間所制樣品。圖片來源：Nature

     這種軟硬層相間的微結構，不但使鋼材具有良好的硬度，還增加了斷裂伸長率。機械測試表明，材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率，要優(yōu)于古代的大馬士革鋼。

有無暫停所打印鐵鎳鈦合金鋼材的拉伸性能測試。圖片來源：Nature

    論文的重點或許不在于材料性能的提升，而是在3D打印過程中，通過對原位熱處理的巧妙利用，實現(xiàn)了馬氏體轉化和沉淀析出的精確、局部控制，從而改善了材料的機械性能。“我們成功地在3D打印過程中調整了各個層的微觀結構，從而達到材料所需的性能，而這些不需要對鋼材進行任何后續(xù)熱處理”，Philipp Kürnsteiner說。

參考文獻：
1. 羅海文, 潛偉, 董瀚. 古代大馬士革鋼刀鍛打花紋形成機制的理論分析. 科學通報, 2014, 59, 833-842. DOI: 10.1360/972013-1172
2. Levin A A, Kochmann W, Patzke N, et al. Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre. Nature, 2006, 444, 286, DOI: 10.1038/444286a

https://www.nature.com/articles/444286a

3. Smith C S, Damascus Steel. Science, 1982, 216, 242-244. DOI: 10.1126/science.216.4543.242-c

https://science.sciencemag.org/content/216/4543/242.4

4. 3D printed Damascus steel

https://www.mpg.de/15023577/3d-printed-damascus-steel

文章來源：X-MOL資訊

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