通过激光粉末床熔融制备的Fe–45Ni的微观结构、磁性和热性能表征

既保持形状又保留磁性的金属

现代卫星、望远镜和精密仪器需要在温度变化下几乎不变形但对磁场响应强烈的金属零件。本研究探讨了一种有前景的配方：含45%镍的铁镍合金（Fe–45Ni），不是通过传统的铸造和机械加工制备，而是通过激光3D打印制造。研究展示了如何调节打印参数，使合金致密、磁性强且在加热时极其稳定。

为何 3D 打印合金重要

铁镍合金已经在需要可靠磁性和极低热膨胀的装置中得到应用——从精密钟表到航天器结构。但传统制造方法在制造复杂形状时常常会遇到裂纹、材料浪费和昂贵的后处理问题。激光粉末床熔融作为一种金属3D打印工艺，能直接从粉末构建复杂形状。问题在于强烈且快速移动的激光会产生陡峭的温度梯度，可能留下孔洞、裂纹和残余应力。作者试图验证是否可以以一种避免这些缺陷同时保留其独特磁性与尺寸稳定性的方式打印 Fe–45Ni。

金属的打印与检测方法

研究者从通过气体雾化获得的球形 Fe–45Ni 粉末开始，因其在打印机中具有良好的流动性。他们使用商用激光粉末床熔融设备构建了小尺寸的7×7×7 mm立方体，采用棋盘式扫描策略，变化激光功率和扫描速度，同时保持层厚和铺距不变。打印后对立方体进行切割和抛光，并使用光学和电子显微镜测量密度、定位孔洞和裂纹。他们还使用 X 射线衍射来识别晶体结构，并用更高级的显微技术绘制晶粒形状和取向图。最后，沿不同方向测试了磁性行为，并测量合金从室温加热到500 °C 时的热膨胀量。

寻找打印参数的最佳点

研究发现激光能量过小或过大都会损害合金的质量。在低激光功率或非常高扫描速度下，金属层不能完全熔合，产生不规则空洞和偶发的热裂纹；而在能量过高时，原始粉末中或熔化过程中产生的气体会被封闭为圆形孔洞。通过在激光功率和扫描速度之间仔细平衡，团队在85 W 和300 mm/s 条件下达到了约99.3%的很高相对密度，仅留下细小、分散的孔隙。在这些最佳条件下，内部结构主要由沿构建方向生长、紧密堆积的柱状晶粒组成，夹杂一些较小且更块状的晶粒。由凝固过程中的热流决定的这种织构晶粒模式被证明对合金的磁响应很重要。

磁性强度与热稳定性

当团队沿构建方向和横向测量磁性时，发现打印的 Fe–45Ni 在两个方向上都表现为软磁材料——容易磁化且外加磁场移除后大部分磁性消失。然而，不同方向的响应并不相同。沿构建方向，材料显示出更高的磁导率（更易磁化）和更低的矫顽力（翻转磁化所需的场更小）；横向则需要更大的磁场，这很可能是因为孔隙、晶界和残余应力阻碍了磁畴壁的运动。尽管存在这些缺陷，合金的最大磁化强度仍然较高，这得益于其相对较高的铁含量。热性能测试表明，在室温到约400 °C 之间，合金的膨胀非常小且不同方向上几乎相同，热膨胀系数约为6×10⁻⁶ /°C——接近所谓的英瓦尔（Invar）行为。只有在约415 °C 以上、接近居里温度（磁性消失的温度）时，合金才开始更快地膨胀。

对实际应用的意义

简而言之，作者表明 Fe–45Ni 可以通过3D打印制成致密且无裂纹的部件，这些部件在加热和冷却时尺寸几乎不变，同时仍表现为强劲且易于控制的磁体。通过调整合适的激光参数，他们将缺陷降到最低并塑造内部晶粒结构，使构建方向成为最易磁化的路径。这些特性使得打印合金成为航空航天及其他对磁性能和尺寸稳定性都有严格要求的高科技领域精密组件的有力候选材料。

引用: Sim, N., Jung, H.Y. & Lee, KA. Characterization of the microstructural, magnetic, and thermal properties of Fe–45Ni fabricated by laser powder bed fusion. Sci Rep 16, 8049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37507-w

关键词: Fe–Ni 合金, 激光粉末床熔融, 软磁材料, 低热膨胀, 增材制造