中子幫助研究人員觀察3D打印部件的實(shí)時(shí)應(yīng)力減少

來源：江蘇激光聯(lián)盟

材料在制造過程中所經(jīng)歷的熱、壓力和力，例如成型、鑄造和成型，會導(dǎo)致制造出來的金屬零件內(nèi)部不一致。這些不一致性包括變形和不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，或“應(yīng)變”，這可能導(dǎo)致零件開裂和失效。

△通用電氣正在使用中子實(shí)驗(yàn)來開發(fā)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型，以幫助預(yù)測3D打印部件是否以及在哪里可能會破裂。Oak Ridge National Laboratory

減少制造部件的內(nèi)部應(yīng)變是制造后熱處理(如退火)普遍存在的原因。退火是指將制造的零件加熱到高溫，以減少或消除內(nèi)應(yīng)力。

通用電氣全球研究院和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們正致力于改進(jìn)生產(chǎn)模型，以幫助更好地設(shè)計(jì)和熱處理零件。在最近的一項(xiàng)研究中，他們將重點(diǎn)放在了使用增材制造技術(shù)(AM)制造的部件上，這種技術(shù)是一層一層地制造3D部件，或稱“打印”。在美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的中子實(shí)驗(yàn)中，他們分析了與AM過程相關(guān)的內(nèi)應(yīng)力形成。研究結(jié)果題為“通過原位中子成像監(jiān)測添加劑制造的Inconel 625的殘余應(yīng)變弛豫和優(yōu)選晶粒取向”，發(fā)表在增材制造雜志上。

△三坐標(biāo)測量機(jī)對一組具有相同工藝參數(shù)的樣品進(jìn)行失真測量，顯示零件之間的變異性。顏色條表示以毫米為單位的位移。

這項(xiàng)研究涉及到使用基于激光的AM制造的零件，它使用激光熔化和沉積一種結(jié)構(gòu)材料。熔化的材料——通常以粉末狀金屬或塑料開始——迅速冷卻和硬化，然后再在上面沉積另一層。

基于激光的AM也會由于構(gòu)建過程中的快速加熱和冷卻而引起內(nèi)部應(yīng)變。退火可以減少內(nèi)應(yīng)力，但過多的熱量會導(dǎo)致材料中不必要的結(jié)構(gòu)變化。

利用ORNL的VULCAN光束線上的中子衍射，研究人員測量了Inconel 625(一種常見的金屬合金)建成樣品內(nèi)部的高內(nèi)部殘余應(yīng)變。另一種補(bǔ)充技術(shù)，中子成像，隨后在ORNL的SNAP束流線上被用于實(shí)時(shí)測量——如何退火零件減少內(nèi)應(yīng)力。初步標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是在日本質(zhì)子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束線上進(jìn)行的。

△(a)未平均的仿真結(jié)果和(b)經(jīng)過零件厚度平均后的仿真結(jié)果的比較。

“當(dāng)使用激光調(diào)幅時(shí)，被熔化的表層非常熱，而下層已經(jīng)冷卻。這種溫度變化會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致開裂�！蓖ㄓ秒姎馊�球研究的首席工程師Ade Makinde說，“中子幫助我們在退火過程中通過爐壁實(shí)時(shí)觀察。我們觀察在加熱過程中，材料中的應(yīng)力在哪里減少，在什么溫度下減少。這是一種平衡。我們需要加熱材料以減少應(yīng)力，但避免溫度過高，以防止不必要的結(jié)構(gòu)變化�！�

獲得的數(shù)據(jù)有助于通用電氣改進(jìn)其生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)建模，以減少或消除打印部件的機(jī)械故障。例如，該模型可以展示如何通過改變零件的形狀，將生產(chǎn)過程中發(fā)生的內(nèi)應(yīng)力降至最低，從而使零件變得更堅(jiān)固。它還可以表明，改變激光束的寬度或激光傳播的速度是否可以提高生產(chǎn)質(zhì)量。

加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家Anton Tremsin說:“SNAP光束線的中子成像促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槿�世界只有少�?shù)幾個(gè)中子設(shè)備能做到。是的，x射線衍射測量可以監(jiān)測特定點(diǎn)的應(yīng)變弛豫。然而，中子成像可以讓我們以非常高的空間分辨率同時(shí)、實(shí)時(shí)地觀察整個(gè)大塊材料。這些數(shù)據(jù)將幫助我們開發(fā)新型無損檢測技術(shù)的儀器和數(shù)據(jù)分析方法�！�

△試樣2-2的應(yīng)變圖在SNAP光束線上測量。(a)升溫過程從室溫到680℃。在2 h的時(shí)間內(nèi)對室溫圖像進(jìn)行積分，在10 min的積分時(shí)間內(nèi)獲得所有高溫圖像，以匹配退火過程的時(shí)間尺度。溫度是加熱過程中的平均值。討論中使用了指定為區(qū)域1和2的矩形;(b) 700°C退火40min的應(yīng)變圖，(C) 875°C退火40min的應(yīng)變圖。所有圖像的整合時(shí)間超過10分鐘。每個(gè)圖像的時(shí)間戳是參考退火的開始。

研究小組在1300華氏度或1600華氏度(700攝氏度或875攝氏度)的真空爐中對每個(gè)3D打印部件進(jìn)行了數(shù)小時(shí)的退火，中子很容易穿透真空爐壁，并在內(nèi)部應(yīng)變緩解時(shí)對整個(gè)體件進(jìn)行成像。在較低的溫度下，壓力釋放可以在1.0到1.5小時(shí)內(nèi)完成，而在較高的溫度下，只需要幾分鐘。

“在生產(chǎn)過程中，內(nèi)部應(yīng)變的數(shù)量和分布與激光束速度、激光功率和其他參數(shù)有關(guān)，”O(jiān)RNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束線的首席儀器科學(xué)家Ke An說。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是無價(jià)的，以及更好地理解如何在不降低結(jié)構(gòu)完整性的情況下更快地退火零件。這意味著通用電氣和其他行業(yè)研究伙伴現(xiàn)在可以有信心預(yù)測如何改進(jìn)他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程。”

△1區(qū)應(yīng)變分布隨時(shí)間和溫度的直方圖0被定義為退火的開始。該插圖使用彩色編碼的實(shí)心圓來表示采集直方圖數(shù)據(jù)時(shí)的溫度。

“這項(xiàng)研究表明，工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和能源部實(shí)驗(yàn)室可以如何在現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)中合作，”O(jiān)RNL高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)成像光束的首席科學(xué)家Hassina Bilheux說�！癘RNL是美國唯一有能力為全球中子用戶社區(qū)提供互補(bǔ)衍射和中子成像技術(shù)的設(shè)施。我們還提供高速數(shù)據(jù)采集和分析專業(yè)知識�！�

Bilheux補(bǔ)充說，目前正在SNS建設(shè)的金星成像光束將具有更廣泛的中子能量供用戶使用。用戶實(shí)驗(yàn)也將受益于升級后的SNS直線加速器更強(qiáng)烈的、2.0兆瓦的質(zhì)子功率�！癡ENUS將能夠增強(qiáng)設(shè)備在高溫和高壓等極端條件下的結(jié)構(gòu)和機(jī)械行為的成像。用戶還將利用獨(dú)特的脈沖源中子成像技術(shù)，更好地理解更廣泛的材料、制造和生產(chǎn)過程�！�

“在通用電氣，我們對這些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和ORNL的中子設(shè)施的使用是多么容易感到非常高興，”Makinde說。“所有必要的設(shè)備都已經(jīng)在光束線上安裝和校準(zhǔn)，所以，舉例來說，我們不需要帶自己的真空爐。SNAP光束線上的熔爐保持著可控的溫度，一切都是同步的，以確保準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。”

通用電氣的科學(xué)家們正在利用這些數(shù)據(jù)開發(fā)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型，以幫助預(yù)測3D打印部件是否以及在哪里可能會破裂。然后，他們可以確定如何減少內(nèi)應(yīng)力和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以幫助防止此類缺陷。

來源：Monitoring residual strain relaxation and preferred grainorientation of additively manufactured Inconel 625 by in-situ neutron imaging,Additive Manufacturing (2021). DOI: 10.1016/j.addma.2021.102130