在過(guò)去的幾十年里，金屬 3D 打印率先創(chuàng)造了形狀復(fù)雜、功能強(qiáng)大的定制部件。但隨著增材制造商為他們的 3D 打印需求添加了更多合金，因此在創(chuàng)建均勻、無(wú)缺陷的零件方面面臨挑戰(zhàn)。
德克薩斯 A&M 大學(xué)研究人員的一項(xiàng)新研究進(jìn)一步完善了使用激光粉末床融合 3D 打印技術(shù)制造優(yōu)質(zhì)金屬零件的過(guò)程。通過(guò)結(jié)合使用機(jī)器學(xué)習(xí)和單軌 3D 打印實(shí)驗(yàn)，他們確定了在微觀尺度上打印具有均勻特性的零件所需的有利合金化學(xué)成分和工藝參數(shù)，如激光速度和功率。
“我們最初的挑戰(zhàn)是確保打印部件中沒(méi)有孔隙，因?yàn)檫@是創(chuàng)造具有增強(qiáng)機(jī)械性能的物體的明顯殺手，”材料科學(xué)與工程系博士生 Raiyan Seede 說(shuō)。“但是在我們之前的工作中解決了這個(gè)挑戰(zhàn)之后，在這項(xiàng)研究中，我們深入研究了合金的微觀結(jié)構(gòu)微調(diào)，以便在比以前更精細(xì)的尺度上更好地控制最終打印物體的屬性。”
研究人員在《增材制造》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。
與其他 3D 打印方法一樣，激光粉末床融合也可以逐層構(gòu)建 3D 金屬零件。該過(guò)程首先在基板上滾動(dòng)一層薄薄的金屬粉末，然后用激光束沿著跟蹤預(yù)期零件橫截面設(shè)計(jì)的軌跡熔化粉末。然后，施加另一層粉末并重復(fù)該過(guò)程，逐漸構(gòu)建最終部件。
用于增材制造的合金金屬粉末可能非常多樣化，包含不同濃度的金屬混合物，例如鎳、鋁和鎂。在打印過(guò)程中，這些粉末在被激光束加熱后迅速冷卻。由于合金粉末中的各個(gè)金屬具有非常不同的冷卻特性，因此以不同的速度凝固，這種不匹配會(huì)產(chǎn)生一種稱(chēng)為微偏析的微觀缺陷。
“當(dāng)合金粉末冷卻時(shí)，單個(gè)金屬會(huì)沉淀出來(lái)，” Seede 說(shuō)。“想象一下將鹽倒入水中。當(dāng)鹽的量很少時(shí)，它會(huì)立即溶解，但是隨著您倒入更多的鹽，不溶解的多余鹽顆粒開(kāi)始以晶體形式沉淀出來(lái)。從本質(zhì)上講，這就是我們的金屬合金在打印后迅速冷卻時(shí)發(fā)生的情況。”
他說(shuō)，這種缺陷表現(xiàn)為微小的口袋，其中包含的金屬成分濃度與打印部件的其他區(qū)域略有不同。這些不一致會(huì)損害打印對(duì)象的機(jī)械性能。
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