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得州农工大学调整合金微化学 以实现完美的金属3D打印

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58京牌 过去几十年,在制造具有复杂形状和高功能的定制部件方面,金属3D打印技术一直处于领先地位。随着添加剂制造商在3D打印过程中加入更多的合金,制造统一、无缺陷的部件也面临挑战。

(图片来源:得州农工大学)

,得州农工大学(Texas A&M University)的研究人员,进一步完善使用激光粉末床熔合3D打印技术制造优质金属部件的过程。通过结合机器学习和单轨3D打印(single-track 3D printing)实验,已确定有利的合金化学和工艺参数,如激光速度和功率,以在微尺度范围内打印具有均匀性能的部件。

材料科学与工程系博士生Raiyan Seede表示:“最初面临的挑战是,如何确保打印部件中没有孔隙。对于制造具有更高机械性能的物体,这是重要影响因素。在之前的工作中,我们已解决了这一挑战。在这项研究中,我们深入研究如何微调合金的微观结构,以便更好地控制最终打印物体的性能,达到比以前更精细的尺度。”

与其他3D打印方法一样,激光粉床融合也可以逐层构建3D金属部件。在这一过程中,首先在基板上铺上一层薄薄的金属粉末,然后用激光束沿着跟踪目标部件横截面设计的轨道熔化粉末。然后,再涂上一层粉末,并重复这一过程,逐渐形成最后的部件。用于添加剂制造的合金金属粉末相当多样化,包含不同浓度的镍、铝和镁等金属混合物。在打印过程中,这些粉末被激光束加热后迅速冷却。由于合金粉末中的各种金属具有极为不同的冷却性能,因此会以不同的速度凝固。这种不匹配会产生一种微观缺陷,称为微偏析。

Seede表示:“当合金粉末冷却时,单种金属就会析出。想象一下把盐倒进水里。当盐的量很少时,会立刻溶解;当你加入更多的盐,多余的盐颗粒无法溶解,开始以晶体的形式沉淀出来。从本质上来说,当我们的金属合金在打印后迅速冷却,就会发生这种情况。”这些缺陷看起来像小口袋,与打印部分的其他区域相比,里面的金属成分浓度略有差异。这些不一致性会影响打印物体的机械性能。

为了矫正这种微缺陷,研究团队研究了四种含有镍和另一种金属成分的合金的凝固过程,尤其是当镍基合金中其他金属浓度增加时,每种合金在不同温度下的物理状态或相。通过具体的相图,研究人员可以确定合金的化学成分,从而在增材制造过程中将微偏析降至最低。

接下来,研究人员针对不同的激光设置熔化单轨合金金属粉末,并确定可以生产无孔隙部件的工艺参数。然后,将从相图中收集到的信息,与从单轨实验中收集到的信息相结合,以获得激光设置和镍合金成分的综合视图,从而生产无孔隙打印部件,而不会出现微偏析。

最后,研究人员进一步训练机器学习模型,以识别单轨实验数据和相图模式,开发适用于其他任何合金的微偏析方程。Seede表示,该方程旨在根据凝固范围、材料特性以及激光功率和速度来偏析程度。材料科学与工程系负责人Ibrahim Karaman表示:“我们的方法有助于在增材制造过程中成功使用不同成分的合金,而不必担心引入缺陷,即使在微观尺度上也是如此。这项工作将对航空航天、汽车和国防工业大有裨益,这些行业一直在寻找更好的方法来制造定制金属部件。”

研究人员表示,以前主要通过昂贵、耗时的实验来优化加工条件。现在,这种方法的独特之处在于其简单性,便于行业使用所选合金制造坚固、无缺陷的部件。

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