科学家们用3D打印技术复现大马士革钢制造工艺

马克斯普朗克科学研究所和弗劳恩霍夫激光技术研究所的工程师们,已经开发出了通过 3D 打印技术来复现大马士革钢制造工艺的新方法。其最初特指由乌兹钢锭制成的钢材,于 2000 多年前从印度进口、并在大马士革制造或交易。但是现在,其已用于泛指一类具有弯曲、波浪状,类似流水的明暗条纹的钢材。

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13 世纪波斯锻造的大马士革钢剑的特写(图自:维基百科)

由于乌兹钢的断代,真正的大马士革钢早已成为一门失传的艺术,因而被许多致力于逆向工程的科学家和手工艺人寄予了很高的期望。

不过这种钢材背后的基本理念,已经被后来的人们所接纳。如果参观文艺复兴时期的现代展览,很可能在剑匠的摊位上发现许多质量出乎意料的复制品。

据悉,大马士革钢刀片是通过捆扎铁条并烤至炽热,然后将其扭曲到一起而制成。铁匠们会将之不断捶打和重新加热,制造出现错综复杂的波纹图案。

这种加工工艺,可通过控制碳含量来调节器性能。比如为剑芯选用坚柔、富有韧性的钢,然后焊接到另一种经加工变硬可磨尖的钢叶边缘上。

现如今的大马士革钢,通常使用两种不同等级的钢合金制成。但是杜塞尔多夫和亚琛的研究人员,正试图通过 3D 打印和激光技术,将大马士革钢带入新的世纪。

值得一提的是,这项新技术没有使用两种不同的材料来加工形成新的合金,而是仅使用铁、镍和钛的合金粉末。

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激光被用于改变 3D 打印钢层的结晶特征(来自:Max Planck Institute

通过激光熔化并一层层地导入,便能够形成所需的形状。然后移除多余的粉末,即可呈现最终的产物。

虽然仍属于 3D 金属打印的范畴,但新技术的不同之处在于 —— 激光并用于改变金属的晶体结构,以形成硬质和易延展的钢的交替层。

马克斯普朗克研究所博士后研究员 Philipp Kürnsteiner 表示:

我们已经成功地在 3D 打印过程中特别地修改了各层的微观结构,以使得最终组件具有所需的性能,而无需随后对钢进行硬处理。

在一定条件下,它会形成小的镍钛微结构,这些所谓的沉淀物会使材料硬化。当受到机械应力时,它们会阻止晶格内的错位移动,也正是塑性形变的特征。

具体到激光工艺,主要与时间参数有关。在添加了每一层之后,可使金属冷却至 195°C(383°F)以下,从而留下柔软的层、形成强度与延展性相结合的钢材。

研究团队指出,通过改变激光的能量、3D 金属打印过程的速度、以及其它因素,便能够相当精确地控制金属的特性。

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