ORNL研究人員使用中子衍射原位監(jiān)測WAAM 3D打印零件中的應力

2023年10月19日，南極熊獲悉，橡樹嶺國家實驗室（ORNL）科學家計劃利用中子衍射在原子水平上觀察增材制造過程，并使用 OpeN-AM 平臺證明他們可以測量材料演化過程中的應變，并跟蹤材料原子如何響應應力而移動。該實驗基于 OpeN-AM完成，這是一個在實驗室散裂中子源上使用 VULCAN 光束線進行監(jiān)測的 3D 打印平臺系統(tǒng)。

△OpeN-AM實驗平臺安裝在 ORNL 散裂中子源的 VULCAN 儀器上。圖片來源：Jill Hemman，ORNL/美國能源部。

ORNL 材料科學與技術部門的材料科學家、首席科學家 Alex Plotkowski 說道：“汽車、航空航天、清潔能源和工具模具行業(yè)——任何需要復雜和高性能零件的行業(yè)——都可以使用增材制造�！�

普洛特科夫斯基和他的同事在《自然通訊》期刊上報告了他們的發(fā)現(xiàn)，論文題為：“Operandoneutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3Dprinting”。

相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40456-x

ORNL 科學家開發(fā)了 OpeN-AM，這是一個 3D 打印平臺，可以使用 ORNL 散裂中子源（SNS）（美國能源部科學辦公室用戶設施）的 VULCAN 束線來測量增材制造過程中不斷變化的殘余應力。當與紅外成像和計算機建模相結合時，該系統(tǒng)能夠前所未有地洞察制造過程中的材料行為。

在這種情況下，他們使用低溫轉變（LTT）鋼，使用 OpeN-AM 平臺物理測量原子響應應力（無論是溫度還是負載）而移動的方式。

殘余應力是指即使在載荷或應力原因消除后仍然存在的應力。它們會使材料變形，或者更糟糕的是，導致材料過早失效。這種應力是制造具有所需特性和性能的精確部件的主要挑戰(zhàn)。

普洛特科夫斯基（Alex Plotkowski），ORNL材料科學與技術部門的材料科學家，也是該實驗的首席科學家表示：“我們已經成功地證明了有一種方法可以做到這一點。我們正在證明我們了解一種情況下的聯(lián)系以預測其他情況�！�

科學家們構思并在兩年的時間里完成了這個實驗，可以測量材料演變過程中的應變過程，從而確定應力的分布方式。

普洛特科夫斯基說：“制造商將能夠調整其組件中的殘余應力，提高其強度，使它們更輕且形狀更復雜。這項技術可以應用于任何你想要制造的東西。我們已經成功地證明了有一種方法可以做到這一點�！皞冋�在證明我們了解一種情況下的聯(lián)系，以預測其他情況�！�

科學家們最近憑借這項技術獲得了 2023 年 R&D 100 獎。R&D World 雜志于八月宣布了獲獎者。Plotkowski 和其他獲獎者將于 11 月 16 日在圣地亞哥舉行的該組織頒獎典禮上接受表彰。

科學家們使用定制的線弧增材制造（WAAM）平臺在 SNS 上對 LTT 金屬進行了所謂的操作中子衍射。他們使用 SNS 的 VULCAN 光束線對鋼材進行處理并記錄制造過程中以及冷卻至室溫后各個階段的數(shù)據。他們將衍射數(shù)據與紅外成像相結合來證實結果。該系統(tǒng)是在制造演示設施（MDF）（美國能源部先進材料和制造技術辦公室用戶聯(lián)盟）設計和建造的，其中還構建了該平臺的復制系統(tǒng)，用于在光束線執(zhí)行之前規(guī)劃和測試實驗。

SNS 運行一臺線性粒子加速器，可產生中子束以在原子尺度上研究和分析材料。他們開發(fā)的研究工具使科學家能夠在材料生產過程中觀察其內部，實時觀察工作機制。LTT 鋼被熔化并分層沉積。隨著金屬凝固和冷卻，其結構發(fā)生了所謂的相變。當這種情況發(fā)生時，原子會重新排列并占據不同的空間，材料的行為也會不同。

通常，僅在加工后觀察材料時很難理解高溫下發(fā)生的轉變。通過觀察加工過程中的LTT鋼，科學家們的實驗表明他們可以理解和操縱相變。普洛特科夫斯基說：“我們想要了解這些應力的狀態(tài)，解釋它們是如何產生的，并找出控制它們的方法�！�

該研究的作者表示，這些結果提供了一種新的途徑，通過使用過程控制來改善關鍵相變溫度周圍熱梯度的不均勻空間和時間變化，在增材制造的部件中設計理想的殘余應力狀態(tài)和性能分布。

普洛特科夫斯基希望世界各地的科學家來到橡樹嶺國家實驗室，對他們想要用于制造的金屬進行類似的實驗。

這項 Open-AM 研究由 ORNL的實驗室指導研究和開發(fā)計劃資助，該計劃支持對國家計劃具有潛在高價值領域的高風險研究和開發(fā)。合著者包括 ORNL的 Chris Fancher、James Haley、Ke An、Rangasayee Kannan、Thomas Feldhausen、Yousub Lee、Dunji Yu 和 Joshua Vaughan；田納西大學橡樹嶺分校州長主席 Suresh Babu；以及橡樹嶺國家實驗室前研究員 Kyle Saleeby、Guru Madireddy 和 C. Leach。