大阪大学研究人员发现纳米级蜂窝结构能显著提升3D打印高温合金强度

2025年7月10，南极熊获悉，来自大阪大学的研究团队对金属3D打印技术自发、分级、特异性形成的微米级晶体层状结构和纳米级胞状结构对强度的贡献进行了定量的个体分析，发现胞状结构（胞状特定界面）是带来极其显著强度提升的因素。

相关研究以题为《Remarkable strengthening effectsof cells in laser powder bed fusion-processed Inconel 718/激光粉末床熔融加工的Inconel 718合金中胞状结构的显著强化效果》的论文发表于《材料研究快报》（MaterialsResearch Letters）。

论文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2522801

为了明确各自的贡献，以大阪大学研究生院工学研究科菊川太一（硕士课程）、石本卓也特任教授、中野隆义教授为首的研究小组，设计了独特的扫描策略，分别确立了通过热处理消除蜂窝状结构和层状结构的方法。

△用于获得 (a) CLM 和 (e) SC 状织构的扫描策略示意图。(b, f) 逆极图 (IPF) 图和(c, g) 001 极图表示所得织构，以及 (d, h) 产品中择优晶体取向的示意图。IPF 图的颜色对应于投影到 BD 的晶体取向。极图 (c) 中的箭头表示由亚层晶体取向得出的强度。

结果发现，层状结构的存在使强度提高了几个百分点，而蜂窝状结构的存在使强度提高了40%，显示出蜂窝状结构极高的强化效果。

△图 2. (a, b) 垂直于激光扫描方向的横截面 SEM 图像，突出显示了晶胞微观结构，并叠加了熔池边界的痕迹。清晰地描绘了扫描策略的差异以及熔池边界处的外延生长。白色箭头表示熔池边界处的直接外延生长，而浅蓝色箭头表示通过“侧枝”进行的外延生长。其中晶胞生长方向正交，但仍保持晶体取向。（c）熔池中心突然出现<001>//BD取向的晶粒。在后续层中，由于<001>取向的晶粒与熔池侧壁接触，因此晶体取向未被继承。

本研究发现的蜂窝状结构的强化效果，结合目前已阐明的3D打印材料的强化机理和强度各向异性，以及3D打印所擅长的基于形状的功能性，有望突破传统机械功能的限制，大大拓展人工定制机械功能控制的范围。

据报道，采用LPBF法制备的各种合金比采用铸造等传统方法制备的合金具有更高的强度，材料特性在世界范围内日益受到关注。在此背景下，需要明确和控制强化因素的性质和特性，以提高合金的强度，并实现强度的灵活设计。

然而，由于金属3D打印物体内部存在多种不同尺度的独特结构，很难分离出每种独特结构引起的强化，也无法定量识别强化因素。

这项研究中获得的关于通过蜂窝结构进行强化的知识意味着，用 LPBF 生产的零件替代传统制造的零件，不仅有可能带来制造方法的改变，而且还会显著改善产品的机械功能及其超轻量化。

基于凝固过程中的浓度分布，LPBF工艺中许多合金体系都会出现胞状结构。换句话说，由于该成果可以应用于构成社会基础设施产品的各种合金材料，研究人员预计连锁反应将扩展到极其广泛的工业领域。