X射線揭示3D打印合金的微觀結(jié)構(gòu)指紋

來源：新材料國際情報(bào)中心

南極熊獲悉，康奈爾大學(xué)的研究人員采用了一種新穎的方法來探索3D打印金屬合金中微結(jié)構(gòu)的形成方式：他們在材料打印過程中用X射線轟擊合金。通過實(shí)時觀察熱力學(xué)形變過程如何創(chuàng)建局部微觀尺度現(xiàn)象，如彎曲、斷裂和振蕩，研究人員將能夠生產(chǎn)出具有這些性能增強(qiáng)特性的定制材料。

該團(tuán)隊(duì)的研究成果以“X射線衍射揭示增材制造中的枝晶形變模式”發(fā)表于Communications Materials，文章第一作者是博士生Adrita Dass。

固化過程中生長枝晶的形變模式。（a）IN625 {311}峰的方位角 (η) 與時間的關(guān)系圖，處理功率為 250W，掃描速度為 4.5mm/s，顯示了不同的固化階段；（b） 2.4s 至 2.7s 之間所有五個 IN625 峰的方位角 (η) 與時間的關(guān)系圖，顯示了導(dǎo)致單個衍射點(diǎn)的微晶；（c）2.8s 至 4.2s 之間 IN625 {311}峰的方位角 (η) 與時間的關(guān)系圖，突出了初級枝晶生長及其形變；（d）在特定時間范圍內(nèi)的代表性2D x射線衍射圖，橙色方框指定了研究區(qū)域，沿實(shí)際方位環(huán)的白色曲線為參考，由t=2.9s到t=4.2s僅跟蹤研究區(qū)域的單個2D x射線衍射圖，平均每時間步十幀以獲得更好的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；（e）跟蹤 (d) 中相同點(diǎn)在探測器上的角位置（η）和絕對最大強(qiáng)度（a.u.）與時間的關(guān)系圖；(f) 由于扭轉(zhuǎn)和側(cè)向彎曲導(dǎo)致的枝晶形變模式示意圖。所有的比例標(biāo)尺都為歸一化強(qiáng)度。

康奈爾大學(xué)Sibley機(jī)械與航空航天工程學(xué)院助理教授，該論文的通訊作者Atieh Moridi表示：“我們總是在加工后觀察這些材料的微觀結(jié)構(gòu)，但只進(jìn)行結(jié)果表征會遺漏很多信息�，F(xiàn)在我們有了工具，可以觀察這些微觀組織的演變。我們希望能夠了解這些微小的圖案或微觀結(jié)構(gòu)是如何形成的，因?yàn)樗鼈儧Q定了3D打印零件性能的一切。”

該團(tuán)隊(duì)專注于一種廣泛應(yīng)用于增材制造和航空航天工業(yè)的一種3D打印模式，在這種模式中，粉末（本例中為鎳基高溫合金IN625）通過噴嘴施加，由高功率激光束熔化，然后冷卻固化。

由于在實(shí)驗(yàn)室中無法獲取高能X射線，研究人員創(chuàng)建了一個便攜式的3D打印裝置，并將其帶到了康奈爾高能同步加速器源的高能X射線科學(xué)中心(CHEXS@CHESS)的威爾遜實(shí)驗(yàn)室。

該設(shè)備以前從未進(jìn)行過這種類型的3D打印實(shí)驗(yàn)，因此CHESS光束線科學(xué)家、現(xiàn)任賓夕法尼亞州立大學(xué)助理教授Darren Pagan與研究人員合作，將打印機(jī)設(shè)置集成到該設(shè)備的一個實(shí)驗(yàn)箱中。CHESS團(tuán)隊(duì)還制定了操作高功率激光器和易燃粉末的關(guān)鍵安全協(xié)議。

在FAST光束線的實(shí)驗(yàn)中，一束聚焦的X射線束被送入艙室，在那里將IN625加熱、熔化和冷卻。打印機(jī)另一側(cè)的探測器捕捉到X射線與材料相互作用產(chǎn)生的衍射圖案。
Moridi教授解釋道：“這些衍射圖案的形成方式為我們提供了大量關(guān)于材料結(jié)構(gòu)的信息。它們在加工過程中捕捉材料歷史的微觀結(jié)構(gòu)指紋。根據(jù)相互作用及其原因，我們獲得了不同的模式，根據(jù)這些模式，我們可以反向計(jì)算材料的結(jié)構(gòu)�！�

通常，研究人員會試圖合并大量的衍射數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。但Moridi、Dass和合著者田晨曦（音譯）博士承擔(dān)了一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，研究了原始探測器圖像。Moridi談道：“雖然這種方法需要更多的時間，但它提供了一個更豐富、更全面的畫面，揭示了IN625是如何形成的，這是我們大多數(shù)時候都無法觀測到的獨(dú)特功能�！�
該研究小組確定了該過程中的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)所產(chǎn)生的關(guān)鍵微觀結(jié)構(gòu)特征，包括：扭轉(zhuǎn)、彎曲、碎裂、同化、振蕩和枝晶間生長。

研究人員認(rèn)為，他們的方法還可以應(yīng)用于其他3D打印金屬，如不銹鋼、鈦、高熵合金或任何具有晶體結(jié)構(gòu)的材料系統(tǒng)。

該方法還可以協(xié)助開發(fā)更加堅(jiān)固的材料。例如，脈沖激光束會增加晶體內(nèi)部的碎片，縮小晶粒尺寸，使材料更堅(jiān)固。

Dass教授表示：“我們的最終目標(biāo)是為特定應(yīng)用的特定合金提供最佳材料體系。如果你了解加工過程中發(fā)生了什么，那你就可以選擇如何加工材料以獲得所需要的特定功能�！�