調(diào)整合金微化學(xué)以實(shí)現(xiàn)完美金屬 3D 打印

來源：白令三維

在過去的幾十年里，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)金屬零件的過程。通過結(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�！暗�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，包含不同濃度的鎳、鋁和鎂等金屬混合物。在打印過程中，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)生一種稱為微偏析的微觀缺陷。

Seede 說：“當(dāng)合金粉末冷卻時(shí)，單個(gè)金屬會(huì)沉淀出來。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始以晶體形式沉淀出來。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，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)損害打印對象的機(jī)械性能。

為了糾正這種微缺陷，研究小組研究了四種含有鎳和一種其他金屬成分的合金的凝固過程。特別是，對于這些合金中的每一種，他們研究了在不同溫度下存在的物理狀態(tài)或相，以增加鎳基合金中其他金屬的濃度。根據(jù)詳細(xì)的相圖，他們可以確定合金的化學(xué)成分，從而在增材制造過程中將微觀偏析降至最低。

接下來，他們針對不同的激光設(shè)置熔化了單一軌跡的合金金屬粉末，并確定了可生產(chǎn)無孔隙零件的工藝參數(shù)。然后，他們將從相圖中收集到的信息與從單軌實(shí)驗(yàn)中收集到的信息結(jié)合起來，以獲得激光設(shè)置和鎳合金成分的綜合視圖，這將產(chǎn)生無孔隙的印刷部件，而不會(huì)出現(xiàn)微觀偏析。

最后，研究人員更進(jìn)一步，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型來識別單軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相圖中的模式，以開發(fā)適用于任何其他合金的微觀偏析方程。Seede 表示，該方程旨在根據(jù)凝固范圍、材料特性以及激光功率和速度來預(yù)測偏析程度。

雪佛龍 I 教授兼材料科學(xué)與工程系主任Ibrahim Karaman 說：“我們的方法簡化了不同成分合金在增材制造中的成功使用，而無需擔(dān)心引入缺陷，即使是在微觀尺度上。這項(xiàng)工作將對航空航天、汽車和國防行業(yè)大有裨益，這些行業(yè)一直在尋找更好的方法來制造定制金屬零件�！�

研究合作者 Raymundo Arroyavé 和 Alaa Elwany 補(bǔ)充說，他們的方法的獨(dú)特之處在于它的簡單性，可以很容易地被行業(yè)采用，以使用所選合金制造堅(jiān)固、無缺陷的零件。他們指出，他們的方法與先前主要依靠昂貴、耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化加工條件的努力形成對比。