大马士革钢：神秘金属材料的神话，如何设置星标及时收到推送

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大马士革钢铁是中世纪金属材料的神话，用它锻造的剑坚韧利器，可以用《水浒传》中杨志卖刀的一句话来形容——“砍铜劈铁，刀口不卷”，“吹毛求疵”，“杀不血”。因为剑在整个剑中呈现出各种水状图案，所以它为大马士革钢铁增添了许多神秘的色彩。据说，在第三次十字军东征期间，萨拉丁向狮心王理查德展示了用他的大马士革剑割下一层薄薄的面纱。从此，大马士革剑声名鹊起，在骑士们中引起了无尽的钦佩。

大马士革钢匕首。图片来源于网络

由于大马士革钢铁武器在战争中的强大威力，当时的统治者严格控制了这种钢铁制造方法的传播。随着枪械时代的到来，大马士革钢铁的制造方法逐渐失传。在现代，许多冶金学家都试图找到一种冶炼和铸造的方法，但很少有人成功。

大马士革钢刀是手工制作的。图片来源于网络

19世纪，俄罗斯著名冶金学家帕维尔·阿诺索夫发现大马士革钢的含碳量为~1.4%。对剑表面纹的研究贯穿了整个20世纪[1-3]，从而推动了金属材料的制备从技术走向科学，并催生了金相学。目前，人们的共识是，大马士革钢是由经验丰富的铁匠反复折叠和锻造硬钢和软钢制成的，这使材料具有优异的强度和延展性，同时在表面产生类似水的图案。

近日，德国马克斯·普朗克钢铁研究所的Philipp Kürnsteiner等研究人员在《自然》杂志上发表论文，提出以铁-镍钛合金钢（Fe19Ni5Ti）为原料，通过定向能量沉积（DED）实现金属的激光增材制造（即激光3D打印）。受到锻造大马士革钢铁的古代铁匠的启发，他们设计了由硬质和软质交替层组成的钢。通过调整DED工艺参数以获得具有不同性能的层状微观组织，他们成功地制备了具有软硬层交替结构的钢。这种钢的抗拉强度为1,300 MPa，伸长率为10%，比古代大马士革钢具有更好的机械性能。该过程中使用的原位沉淀强化和局部微观组织控制的概念可以应用于广泛的沉淀硬化合金和不同的增材制造工艺。

3D打印的大马士革钢。图片来源：马克斯·普朗克官网，Frank Vinken [4]。

目前，金属3D打印主要有三种方法：喷射成型、粉末床熔融和定向能量沉积（DED）。其中，虽然金属喷射技术成本低，但可以打印的零件尺寸非常有限，打印零件的结构和表面质量会不太准确;金属粉末床熔融技术的优点是可以获得更好的表面精度和零件内部结构，但成本很高，并且现有的部件无法修复;另一方面，定向能量沉积具有成本效益，并且可以快速制作各种尺寸的零件原型。

定向能量沉积。图片来源于网络

在DED工艺中，金属粉末通过激光加热和熔化，然后通过喷嘴打印到预编程位置。研究人员在这篇论文中的独创性在于，每打印四层后，激光器就会暂停 120 秒。在没有激光加热的这段时间里，样品会冷却并在打印钢的顶部形成一条暗带。值得注意的是，暗带比连续打印的材料硬约 100 HV。这是怎么回事？

DED工艺、印刷复合钢工艺和不同尺度的暗带结构。图片来源：Nature

原子探针断层扫描（APT）分析揭示了在较硬的暗带区域连续发生的两次原位相变：第一次是奥氏体到马氏体的转变，第二次是马氏体内部的沉淀。镍钛在马氏体中η相析出的析出是造成暗带硬化的主要原因。这类似于商业马氏体时效钢使用的方法，即通过昂贵且耗时的时效热处理产生沉淀来增加其硬度。有趣的是，如果在这 120 秒的过程中没有停顿，就不会有更硬的暗带。为什么？

硬-软区原子探针断层扫描（APT）分析。图片来源：Nature