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

2023年10月19日，南極熊獲悉，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）科學(xué)家計(jì)劃利用中子衍射在原子水平上觀察增材制造過(guò)程，并使用 OpeN-AM 平臺(tái)證明他們可以測(cè)量材料演化過(guò)程中的應(yīng)變，并跟蹤材料原子如何響應(yīng)應(yīng)力而移動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)基于 OpeN-AM完成，這是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室散裂中子源上使用 VULCAN 光束線進(jìn)行監(jiān)測(cè)的 3D 打印平臺(tái)系統(tǒng)。

△OpeN-AM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝在 ORNL 散裂中子源的 VULCAN 儀器上。圖片來(lái)源：Jill Hemman，ORNL/美國(guó)能源部。

ORNL 材料科學(xué)與技術(shù)部門的材料科學(xué)家、首席科學(xué)家 Alex Plotkowski 說(shuō)道：“汽車、航空航天、清潔能源和工具模具行業(yè)——任何需要復(fù)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(bào)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(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40456-x

ORNL 科學(xué)家開發(fā)了 OpeN-AM，這是一個(gè) 3D 打印平臺(tái)，可以使用 ORNL 散裂中子源（SNS）（美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施）的 VULCAN 束線來(lái)測(cè)量增材制造過(guò)程中不斷變化的殘余應(yīng)力。當(dāng)與紅外成像和計(jì)算機(jī)建模相結(jié)合時(shí)，該系統(tǒng)能夠前所未有地洞察制造過(guò)程中的材料行為。

在這種情況下，他們使用低溫轉(zhuǎn)變（LTT）鋼，使用 OpeN-AM 平臺(tái)物理測(cè)量原子響應(yīng)應(yīng)力（無(wú)論是溫度還是負(fù)載）而移動(dòng)的方式。

殘余應(yīng)力是指即使在載荷或應(yīng)力原因消除后仍然存在的應(yīng)力。它們會(huì)使材料變形，或者更糟糕的是，導(dǎo)致材料過(guò)早失效。這種應(yīng)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(xué)與技術(shù)部門的材料科學(xué)家，也是該實(shí)驗(yàn)的首席科學(xué)家表示：“我們已經(jīng)成功地證明了有一種方法可以做到這一點(diǎn)。我們正在證明我們了解一種情況下的聯(lián)系以預(yù)測(cè)其他情況�！�

科學(xué)家們構(gòu)思并在兩年的時(shí)間里完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)量材料演變過(guò)程中的應(yīng)變過(guò)程，從而確定應(yīng)力的分布方式。

普洛特科夫斯基說(shuō)：“制造商將能夠調(diào)整其組件中的殘余應(yīng)力，提高其強(qiáng)度，使它們更輕且形狀更復(fù)雜。這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于任何你想要制造的東西。我們已經(jīng)成功地證明了有一種方法可以做到這一點(diǎn)�！皞冋�在證明我們了解一種情況下的聯(lián)系，以預(yù)測(cè)其他情況�！�

科學(xué)家們最近憑借這項(xiàng)技術(shù)獲得了 2023 年 R&D 100 獎(jiǎng)。R&D World 雜志于八月宣布了獲獎(jiǎng)?wù)摺�Plotkowski 和其他獲獎(jiǎng)?wù)邔⒂?11 月 16 日在圣地亞哥舉行的該組織頒獎(jiǎng)典禮上接受表彰。

科學(xué)家們使用定制的線弧增材制造（WAAM）平臺(tái)在 SNS 上對(duì) LTT 金屬進(jìn)行了所謂的操作中子衍射。他們使用 SNS 的 VULCAN 光束線對(duì)鋼材進(jìn)行處理并記錄制造過(guò)程中以及冷卻至室溫后各個(gè)階段的數(shù)據(jù)。他們將衍射數(shù)據(jù)與紅外成像相結(jié)合來(lái)證實(shí)結(jié)果。該系統(tǒng)是在制造演示設(shè)施（MDF）（美國(guó)能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室用戶聯(lián)盟）設(shè)計(jì)和建造的，其中還構(gòu)建了該平臺(tái)的復(fù)制系統(tǒng)，用于在光束線執(zhí)行之前規(guī)劃和測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

SNS 運(yùn)行一臺(tái)線性粒子加速器，可產(chǎn)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(xué)家能夠在材料生產(chǎn)過(guò)程中觀察其內(nèi)部，實(shí)時(shí)觀察工作機(jī)制。LTT 鋼被熔化并分層沉積。隨著金屬凝固和冷卻，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了所謂的相變。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，原子會(huì)重新排列并占據(jù)不同的空間，材料的行為也會(huì)不同。

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

該研究的作者表示，這些結(jié)果提供了一種新的途徑，通過(guò)使用過(guò)程控制來(lái)改善關(guān)鍵相變溫度周圍熱梯度的不均勻空間和時(shí)間變化，在增材制造的部件中設(shè)計(jì)理想的殘余應(yīng)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(xué)家來(lái)到橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，對(duì)他們想要用于制造的金屬進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)。

這項(xiàng) Open-AM 研究由 ORNL的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和開發(fā)計(jì)劃資助，該計(jì)劃支持對(duì)國(guó)家計(jì)劃具有潛在高價(jià)值領(lǐng)域的高風(fēng)險(xiǎn)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(xué)橡樹嶺分校州長(zhǎng)主席 Suresh Babu；以及橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室前研究員 Kyle Saleeby、Guru Madireddy 和 C. Leach。