清華和新加坡大學(xué)研究流體流動(dòng)，如何影響金屬3D打印中的枝晶生長(zhǎng)

南極熊導(dǎo)讀，金屬3D打印的發(fā)展速度極快，隨著該技術(shù)的發(fā)展，人們已發(fā)現(xiàn)，晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)打印結(jié)果的各項(xiàng)參數(shù)有著深遠(yuǎn)的影響。

2022年5月31日，清華大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員，正在研究流體流動(dòng)對(duì)金屬3D打印零件機(jī)械性能的影響。

△鈷釤銅合金中3D枝晶結(jié)構(gòu)的SEM成像

對(duì)于激光粉末床融合等金屬3D打印技術(shù)，可控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成，對(duì)于調(diào)整最終晶粒結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。他們解釋這很重要，因?yàn)榫Я＝Y(jié)構(gòu)和晶粒尺寸對(duì)幾乎所有機(jī)械性能都有顯著影響，包括硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。

這里面有很多因素和參數(shù)會(huì)影響，3D打印中新晶粒和枝晶的形成，其中，溫度梯度和凝固速度已經(jīng)被認(rèn)為是主要的決定因素。然而，根據(jù)研究人員的說(shuō)法，而3D打印中流體流動(dòng)的影響從未被研究過(guò)。

通過(guò)CFD模擬樹(shù)枝狀生長(zhǎng)
冶金領(lǐng)域的枝晶，是典型的樹(shù)狀晶體結(jié)構(gòu)，隨著熔融金屬的凝固而生長(zhǎng)和傳播。就像晶粒尺寸一樣，枝晶生長(zhǎng)會(huì)對(duì)金屬零件的機(jī)械性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

為了研究流體流動(dòng)的影響，研究團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型，來(lái)模擬流動(dòng)液體熔池中枝晶的生長(zhǎng)。該模型涵蓋了在各種溫度梯度和凝固速度下（ 0、0.2和0.4m/s流速），以實(shí)現(xiàn)全面性。為了將流體流動(dòng)與枝晶生長(zhǎng)聯(lián)系起來(lái)，團(tuán)隊(duì)雙向耦合了CFD模型和多網(wǎng)格枝晶發(fā)展模型。

該團(tuán)隊(duì)還利用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)補(bǔ)充模型，使用激光和電子束對(duì)Inconel 718樣品進(jìn)行單軌測(cè)試。

隨后的數(shù)值建模過(guò)程，涉及模擬具有不同構(gòu)建方向和凝固條件的，各種流動(dòng)條件下的枝晶生長(zhǎng)。此外，利用物理實(shí)驗(yàn)的流場(chǎng)和溫度數(shù)據(jù)，對(duì)熔池尺寸的枝晶生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬。

△CFD模擬的枝晶結(jié)構(gòu)

流體流動(dòng)如何影響枝晶生長(zhǎng)？
從結(jié)果來(lái)看，熔池邊界處的溫度梯度越高，最高枝晶尖端與冷面之間的距離就越長(zhǎng)。

模擬結(jié)果表明，流體流動(dòng)和凝固速度，對(duì)金屬3D打印中枝晶和新晶粒的形成都有非常顯著的影響。效果也與傳統(tǒng)鑄造工藝中的效果相似。

該團(tuán)隊(duì)相信他們的發(fā)現(xiàn)，可以為基于溫度梯度和凝固速度的成核理論提供有用的見(jiàn)解。最終為金屬3D打印過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)（和機(jī)械性能）控制鋪平了道路。

△該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“流體流動(dòng)對(duì)增材制造中枝晶生長(zhǎng)和新晶粒形成的影響”的論文中找到（點(diǎn)我傳送門）

△模擬枝晶XZ和YZ截面中Nb分布的比較

金屬3D打印制造領(lǐng)域的研究范圍廣泛而令人震驚。就在本月，來(lái)自Tallinn科技大學(xué)和 Estonian的研究人員，開(kāi)了新的技術(shù)來(lái)解決3D打印可以保障磁芯效率的問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在提出了一種基于激光的3D打印工作流程，聲稱可以產(chǎn)生優(yōu)于軟磁復(fù)合材料的磁性。

在其他地方， Virginia理工大學(xué)近期與3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)商MELD Manufacturing合作，推進(jìn)了該公司的3D打印摩擦攪拌沉積技術(shù)。

隨著金屬3D打印的發(fā)展，該技術(shù)除了具備無(wú)�；�可定制優(yōu)勢(shì)外，在打印效率和打印質(zhì)量上相比傳統(tǒng)金屬加工工藝均有較為明顯的提升，甚至能夠完成傳統(tǒng)工藝無(wú)法制造的高復(fù)雜度高精密度零部件的打印，未來(lái)，具有無(wú)限的發(fā)展?jié)摿Α?br />