全文4600字，阅读需7分钟。本文分享Nature子刊研究3D打印通过工艺控制突破传统钢铁冶金的性能天花板的研究。如果觉得AM易道文章有价值，请读者朋友帮忙转发点赞在看评论，支持AM易道创作。AM易道本文与文中提到公司不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。
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就在整个行业都在为此困扰之际，一项来自澳大利亚昆士兰大学发布的最新研究为我们带来了全新的思路：通过3D打印技术的创新应用，最基础的碳钢也能实现超高强度合金钢才具备的卓越性能。
这项研究成果发表在2024年最新一期的Nature Communications上，得到材料界和3D打印界的广泛关注。AM易道认为，这项研究的重要性不仅在于其技术创新，更在于它为"合金简化设计"提供了一个全新范式：不是通过添加更多合金元素来获得更好的性能，而是通过创新的制造工艺来激发材料的潜力。研究团队选择了最基础的AISI1040（含碳量0.4%）和AISI1080（含碳量0.8%）两种普通碳钢作为研究对象。这两种钢因其简单的化学成分和较差的淬透性，在传统工艺中很难获得均匀的马氏体/贝氏体组织，这也是它们难以应用于高性能场合的主要原因。然而，通过激光粉末床熔融（LPBF）3D打印技术，研究人员成功突破了这一限制。如上图所示，该技术采用高能量密度激光束选择性地熔化金属粉末，逐层构建零件。每个熔池的尺寸在微米量级，能够实现104-107 K/s的超快冷却速率。这种"微区熔化-快速凝固"的特征，从根本上改变了碳钢的组织演变过程。这种"分区微熔"带来的优势，在研究团队设计的一组对比实验中得到了极为直观的体现。研究人员制作了两个完全相同尺寸的L形构件（长度分别为30mm和20mm，宽10mm，厚5mm），一个采用传统的奥氏体化（900℃，30min）后水淬工艺，另一个采用低能量密度（69 J/mm³）的LPBF工艺。如图(g-h)所示，传统工艺制备的构件在拐角处出现了明显的淬火裂纹和变形，这是由于快速冷却过程中产生的巨大热应力造成的。相比之下，3D打印件却展现出完美的几何完整性，没有任何裂纹和变形。这种差异的本质在于3D打印将整体淬火过程分解为无数个微观局部淬火过程，同时基板预热（200℃）和逐层累积产生的周期性热循环提供了原位回火效果，有效缓解了热应力集中。如上图所示，3D打印的1080钢在低能量密度工艺下（69 J/mm³）可以获得1773 MPa的屈服强度和接近2000 MPa的抗拉强度，这一性能水平已经可以与300M、H13等高合金钢相媲美。而通过调节打印参数，还可以在强度和韧性之间实现灵活平衡。在传统的钢铁淬火工艺中，我们需要将整个工件加热到奥氏体区间后快速冷却，以获得马氏体组织。然而，这种"整体淬火"存在着诸多挑战：冷却速度受工件尺寸限制、容易产生变形和开裂、性能分布不均匀等。而LPBF 3D打印技术则通过独特的"分区微熔"方式巧妙地解决了这些问题。在LPBF过程中，高能量密度的激光束（工艺参数见文末）在金属粉末层上进行选择性扫描，每个熔池的尺寸仅有数十到数百微米。1. 极小的熔池尺寸确保了超高的冷却速率（104-107 K/s），远超传统淬火工艺；
2. 基体预热（200℃）和逐层沉积过程中的热循环，又提供了原位回火效果，有效缓解了应力集中。正如图1(i)所示，研究团队系统探索了不同能量密度对1080钢性能的影响。结果表明，在45-240 J/mm³的宽泛工艺窗口内，都能获得接近理论密度（>99%）的致密化效果。更重要的是，硬度值展现出显著的工艺依赖性：较低的能量输入（69 J/mm³）有利于形成马氏体为主的组织，硬度可达60 HRC；而提高能量密度则促进贝氏体转变，为性能调控提供了新的途径。下图是1080钢的微观组织表征结果，揭示了3D打印碳钢的组织演变规律，由于材料学表征细节较多，本章节仅简述核心内容，请有兴趣的读者自行阅读原文。通过X射线衍射分析可以看到，样品中主要为单一的铁素体（α'）相，这表明奥氏体-珠光体转变被完全抑制。在低能量密度工艺（69 J/mm³）下，EBSD反极图显示了典型的板条马氏体形貌，这些马氏体板条呈现随机取向分布，没有明显的织构特征。随着能量密度提高到116 J/mm³，微观组织发生了显著转变。EBSD分析（图2d和2g）显示BC值普遍高于100，表明形成了应变较小的贝氏体组织。特别值得关注的是，研究人员通过带衬度（Band Contrast）分析和透射电镜观察，揭示了马氏体和贝氏体的微观区别：低能量密度样品（69 J/mm³）中的马氏体含有大量纳米级孪晶（10-30nm）和ω-Fe界面相；而高能量密度样品（116 J/mm³）中的贝氏体则表现为含纳米级碳化物的细小板条。这种组织特征与传统工艺中的粗大珠光体形成鲜明对比，解释了其优异的力学性能。对于碳含量较低的1040钢，即使在低能量密度条件下也难以获得完全马氏体组织。如图3e所示，在69 J/mm³工艺下，样品中同时存在BC值高于100和低于70的区域，表明是马氏体和贝氏体的混合组织。贝氏体区域中发现了一种特殊的ω'-Fe3C纳米碳化物，这与传统工艺中常见的粗大棒状或颗粒状渗碳体有明显区别。随着能量密度提高到127 J/mm³，组织转变为完全贝氏体（图g）这种精细的组织调控能力是传统制造工艺难以企及的，充分体现了LPBF技术在材料组织设计方面的独特优势。更重要的是，这些纳米尺度的组织特征为材料提供了多重强化机制：
工艺参数与性能调控
通过调节激光能量密度，研究人员实现了对微观组织和性能的精准控制。![]()
以1080钢为例，在69 J/mm³的低能量密度下，主要形成马氏体组织，展现出超高强度（YS 1773MPa，UTS 2000MPa）但延展性较低（5.3%）的特点。而提高到116 J/mm³后，贝氏体含量增加，强度虽有所降低（YS 1100MPa，UTS 1327MPa），但延展性显著提升（13%）。这种工艺-组织-性能关系的建立，为材料设计提供了新的思路：我们可以通过精准的3D打印工艺参数控制，而不是复杂的合金成分设计，来实现性能的优化和平衡。AM易道认为，随着原位监测技术和人工智能算法的引入，这种工艺-组织-性能的精准映射将变得更加高效和可靠。例如，通过熔池实时成像和温度场监测，可以实现对冷却速率的动态调控；而机器学习算法则可以通过分析海量工艺数据，预测最优的参数组合，这将极大加速工艺优化过程，提高生产效率和质量稳定性。关键工艺：不止于打印的全流程控制
虽然3D打印让普通碳钢实现了超高性能，但这一突破并非仅仅依赖于打印本身。
研究团队在材料制备、打印参数和后处理方面都进行了系统优化和严格控制。
首先是原材料的精准制备。研究采用了两种不同的制粉路线：
1080钢直接采用气雾化制备的商用粉末（0.8%C，0.4%Si，0.8%Mn，余量Fe），颗粒尺寸控制在10-60μm范围；
而1040钢则通过创新的混合工艺制备 - 将商用纯铁粉（99.5%纯度，15-53μm）与1080钢粉搅拌混合器中精确混合2小时，以确保成分均匀性。
其次是打印工艺的严格管控。团队使用SLM Solutions 125HL设备进行实验。
基板预热温度维持在200℃；打印腔体充入高纯氩气（纯度≥99.99%），并将氧含量严格控制在0.05vol.%以下。
通过调节激光功率（150-400W）和扫描策略，在45-240 J/mm³的能量密度范围内实现了组织的精准调控。
最关键的是后处理工艺的差异化设计。
对于1080钢，由于其高碳含量导致的马氏体高脆性，打印后必须进行回火处理。
研究发现300℃回火2小时是最佳工艺窗口，可以在保持高强度的同时显著改善韧性。
团队还系统研究了不同回火温度（300℃、350℃、400℃）对性能的影响，为实际应用提供了调控指南。
而对于1040钢，得益于其较低的碳含量和快速冷却过程中形成的自回火效应，打印态样品就表现出优异的综合性能，无需额外热处理。
这一发现大大简化了工艺流程，提高了生产效率。
前文说过，这项开创性研究的意义，远不止于展示了3D打印碳钢的优异性能。AM易道认为，它为整个材料产业带来了不同层面的启示：长期以来，工程材料的发展路线一直是添加更多合金元素来获得更好性能。而这项研究证明，通过3D打印，最基础的碳钢也能实现超高性能合金钢的水平。通过3D打印技术的"一步法"能实现几何形状控制和性能调节的统一。![]()
如图1(c-d)所示，即使是复杂的齿轮构件，也能在不同截面获得均匀的硬度分布（约59 HRC），这在传统工艺中是不好实现的。目前，不同种类钢材的回收往往需要复杂的分选过程，这极大增加了回收成本。而采用简单成分的碳钢制造高性能零件，将显著简化回收流程，提高材料的循环利用效率。从应用拓展角度看，此技术更像是3D打印的隐藏惊喜。在高性能机械零件领域，如齿轮、轴承、模具等，3D打印碳钢如能通过此法直接替代部分高合金钢，可显著降低成本。另外针对于本文的研究成果，AM易道认为，多激光LPBF系统非常适配。通过将打印区域划分为多个子区域，采用多个激光器同时工作，除了效率提升，可实现不同零件的打印+附带微观热处理以塑造不同性能；亦或是同零件的梯度功能实现。这种工艺-组织-性能关系的建立，随着原位监测技术和人工智能算法的引入，我们可以通过更精准的3D打印工艺参数控制，而不是复杂的合金成分设计，来实现性能的优化和平衡。
本文AM易道仅对Nature子刊原文做了核心摘要和解读，原文章还有大量技术细节和内容，请读者自行查阅。如果读者对此研究有更多见解或者应用设想，欢迎在评论区或者在25年的TCT在展会现场与我们交流讨论。AM易道读者专属福利：通过以下二维码预约的读者，请截图您的预约二维码，可以向AM易道免费咨询一个行业问题，或在公众号文章中免费宣传一次，终身有效。联系AM易道编辑：
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