使用激光粉末床熔融和合金制造無(wú)缺陷零件的最新研究

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

德克薩斯A&M大學(xué)研究人員開發(fā)的一種新方法優(yōu)化了合金性能和工藝參數(shù)，以制造出優(yōu)質(zhì)的無(wú)缺陷3D打印金屬零件，從而推動(dòng)其在增材制造、航空航天、汽車和國(guó)防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

日前，德克薩斯A&M大學(xué)(Texas A&M University,TAMU)研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究可能會(huì)使使用激光床粉末熔融3D打印技術(shù)打印金屬合金的均勻、無(wú)缺陷零件變得更加容易。

研究人員系統(tǒng)地研究了合金成分對(duì)微結(jié)構(gòu)的印刷適性和凝固性的影響，以更好地理解合金成分、工藝變量和熱力學(xué)如何影響增材制造的零件。通過3D打印實(shí)驗(yàn)，他們定義了優(yōu)化合金性能所需的合金化學(xué)成分和工藝參數(shù)，并在微型尺度上打印出優(yōu)質(zhì)、相同的零件。利用機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning, ML)，他們創(chuàng)建了一個(gè)公式，可以用于任何類型的合金，以防止不均勻性。

△研究中使用的鎳粉合金的彩色電子顯微照片。來(lái)源：Raiyan Seede。

研究原理   
用于增材制造的合金金屬粉末可以包含不同濃度的金屬混合物，例如鎳、鋁和鎂。在激光床粉末熔融3D打印過程中，這些粉末在被激光束加熱后會(huì)迅速冷卻。合金粉末中的不同金屬具有不同的冷卻性能，并且以不同的速率凝固。這種不一致會(huì)產(chǎn)生微觀缺陷或微觀偏析。

研究人員Raiyan Seede說(shuō)：“當(dāng)合金粉末冷卻時(shí)，個(gè)別金屬會(huì)沉淀出來(lái)。我們可以想象一下把鹽倒在水里的情況。當(dāng)鹽的量很少時(shí)，它會(huì)立即溶解，但是當(dāng)你倒入更多的鹽時(shí)，沒有溶解的多余鹽顆粒則開始以晶體的形式沉淀出來(lái)。這就相當(dāng)于我們的金屬合金在印刷后迅速冷卻時(shí)發(fā)生的情況，兩者并無(wú)不同。”我們可以把沉淀帶來(lái)的缺陷想象成小口袋，在這個(gè)口袋里的金屬成分濃度與印刷部分的其他區(qū)域略有不同。

L-PBF工藝參數(shù)圖（最終確定的匙孔標(biāo)準(zhǔn)和最大填充間距輪廓）。鎳-20at% 銅和鎳-5at% 鋁最終確定的匙孔標(biāo)準(zhǔn)為是熔池寬度/深度（表示為W/D）≤ 1.2，鎳-5at% 鋯和鎳-8.8at% 鋯的W/D≤ 1.5。對(duì)于所有地圖，缺乏熔融的標(biāo)準(zhǔn)保持在D ≤ 0.667t，、使用支持向量機(jī)(SVM)將成球區(qū)域擬合到單軌道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。D:熔池深度，W:熔池寬度，t:粉末層厚度，hmax:最大開口間距。

研究人員首先研究了四種二元鎳基合金的凝固微觀結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中，他們研究了每種合金在不同溫度和鎳基合金中其他金屬濃度增加時(shí)的物理相。利用詳細(xì)的相圖，研究人員確定了每種合金的化學(xué)成分，這種成分在增材制造過程中會(huì)導(dǎo)致最少的微觀偏析。

接下來(lái)，研究人員在不同的激光設(shè)置下熔化了合金金屬粉末的單一軌跡，并確定了激光粉末床熔化工藝參數(shù)，該工藝參數(shù)將提供無(wú)氣孔零件。

鎳鋅合金單次激光掃描橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。深色的富鎳相交錯(cuò)著具有均勻微觀結(jié)構(gòu)的較輕相。在熔池結(jié)構(gòu)中也可以觀察到孔隙。

這些信息為團(tuán)隊(duì)提供了激光設(shè)置和鎳基合金成分的綜合分析，從而可以產(chǎn)生沒有顯微偏析的、無(wú)孔隙印刷零件。研究人員接下來(lái)會(huì)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)識(shí)別單線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相圖中的模式，以開發(fā)一個(gè)可用于任何合金的微觀偏析方程。

左側(cè)欄：以212瓦和0.3米/秒的速度打印的每種合金成分的單個(gè)軌跡的光學(xué)顯微照片，紅、藍(lán)色方框表示波長(zhǎng)色散光譜圖（wavelength dispersive spectroscopy，WDS）的繪制位置。

中間欄：從每個(gè)熔池頂部拍攝的WDS圖
右側(cè)欄：從每個(gè)熔池邊緣拍攝的圖，在光學(xué)顯微照片中用顏色編碼。白色虛線表示在這些圖像中難以區(qū)分的邊界

考慮到合金的凝固范圍、材料特性以及激光的功率和速度，Seede等人設(shè)計(jì)的該方程旨在預(yù)測(cè)偏析程度。“我們深入研究合金的微調(diào)微觀結(jié)構(gòu)，以便更精細(xì)地對(duì)最終印刷物體的性能進(jìn)行管理和控制�！�

應(yīng)用前景
隨著合金在增材制造中的使用增加，印刷符合或超過制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的零件的挑戰(zhàn)也將增加。該研究將使制造商能夠優(yōu)化合金化學(xué)和工藝參數(shù)，以便合金可以專門設(shè)計(jì)用于增材制造，制造商們自己就可直接控制微觀結(jié)構(gòu)。

Ibrahim Karaman教授說(shuō)：“我們的方法使不同成分的合金在增材制造中的成功應(yīng)用變得更容易、更觸手可及，與此同時(shí)不用擔(dān)心任何缺陷（即使是在微型尺度上）的形成�！�

這項(xiàng)工作將對(duì)航空航天、汽車和國(guó)防行業(yè)大有裨益，可滿足這些領(lǐng)域的需求——以更好的方法來(lái)定制金屬零件。


來(lái)源：Photonics官網(wǎng)，Raiyan Seede et al.,Effect of composition and phase diagram features on printability and microstructure in laser powder bed fusion: Development and comparison of processing maps across alloy systems,Additive Manufacturing，https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102258