原子扩散增材制造中不同填充模式对17-4PH不锈钢力学与磨损性能的影响研究

本研究针对金属增材制造(ADAM)技术中填充模式对材料性能的影响问题，通过对比Solid Fill、Gyroid Fill和Triangular Fill三种填充策略，系统评估了17-4PH不锈钢的密度(96.4%)、硬度(487.82 HV1)、抗拉强度(948 MPa)及磨损性能。结果表明Solid Fill结构具有最优综合性能，为航空航天等领域的高性能部件定制化生产提供了重要数据支撑。

　　

在金属制造领域，传统加工技术正面临复杂构件成型困难、材料利用率低的挑战。增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术虽能实现复杂结构一体化成型，但不同工艺参数导致的力学性能差异始终制约其工业应用。特别是对于17-4PH不锈钢这种广泛应用于航空发动机叶片和医疗器械的关键材料，如何通过优化原子扩散增材制造(Atomic Diffusion Additive Manufacturing, ADAM)的填充策略来平衡强度与成本，成为亟待解决的科学问题。

针对这一技术瓶颈，Gazi大学的研究团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表了一项创新研究。该工作系统比较了Solid Fill、Gyroid Fill和Triangular Fill三种填充模式对ADAM成型17-4PH不锈钢性能的影响，首次揭示了填充几何结构与材料力学-磨损性能的构效关系。

研究采用Markforged MetalX?系统完成样品制备，通过云平台Eiger软件优化打印参数。关键实验技术包括：基于阿基米德原理的密度测试(ASTM B962-13)、维氏硬度检测(ASTM E92-17)、万能试验机拉伸测试(ASTM E8/E8M-16a)、三点弯曲强度测试(ASTM D790-17)，以及配备ZEISS GeminiSEM 500的显微结构分析和Prof ilm3D磨损表面表征。

【微结构与打印表面分析】
3D光学轮廓仪显示Solid Fill样品表面粗糙度(Ra)仅2.4 μm，显著低于激光粉末床熔融(LPBF)工艺的80 μm。SEM观测发现平均2 μm的微小孔隙，证实ADAM工艺在控制缺陷方面的优势。

【物理与机械性能】
Solid Fill以96.4%相对密度和487.82 HV₁硬度居首，Triangular Fill性能最低。拉伸测试中Solid Fill抗拉强度达929.1 MPa，Gyroid Fill因各向同性结构展现出更优延展性。三点弯曲强度(TRS)测试进一步验证Solid Fill的1848.5 MPa超高强度。

【断裂表面分析】
SEM显示Solid Fill呈现穿晶断裂特征，Gyroid Fill因周期性结构实现均匀变形，而Triangular Fill则因应力集中出现层间剥离。EDS分析证实烧结过程形成强晶界结合，但残留粘结剂膨胀形成的孔隙会降低强度。

【摩擦学行为】
Solid Fill在20 N载荷下表现出0.661的平均摩擦系数，比磨损率仅1.47×10^-7。磨损表面SEM观察到粘着磨损(分层、涂抹)与磨粒磨损(深沟槽)的混合机制，3D轮廓仪测得磨损区粗糙度0.9741 μm。

该研究创新性地证明：ADAM技术中Solid Fill策略可制备接近全致密的17-4PH不锈钢部件，其力学性能超越激光烧结(SLM)工艺的350 HV水平。通过填充模式调控，既能实现948 MPa级高强度(适用于航空承力件)，又可节省材料成本(如Gyroid结构减重30%)。研究建立的"几何设计-工艺参数-性能指标"关联模型，为国防、医疗器械等领域的定制化生产提供了理论依据。特别是发现Triangular Fill因锐角结构导致的应力集中效应，为后续拓扑优化设计提供了重要警示。这些发现不仅填补了ADAM技术系统性研究的空白，更为金属增材制造的工业化应用开辟了新路径。