【論文】如何增強(qiáng)SLM金屬3D打印部件的延展性和韌性

2018年4月13日，南極熊從外媒獲悉，新加坡的一個(gè)研究小組最近對(duì)SLM（選擇性激光熔化）3D打印技術(shù)進(jìn)行了一項(xiàng)高級(jí)研究，對(duì)于使用金屬AM工藝的制造項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，這些研究結(jié)果可能是非常寶貴的。 在NPG aisa materials 雜志上發(fā)表的一篇題為“增強(qiáng)選擇性激光熔化3D打印不銹鋼316L強(qiáng)度和延展性”的論文中概述了這項(xiàng)研究的結(jié)果。 作者是 Zhongji Sun, Xipeng Tan, Shu Beng Tor and Chee Kai Chua.。

工程師們探索了一系列不同類(lèi)型的激光器，以及模擬和測(cè)量粉末床的特定幾何特征和熔化過(guò)程，以便提出創(chuàng)新方法來(lái)提高SLM技術(shù)的效率。 他們發(fā)現(xiàn)，金屬AM部件的延展性和韌性可以通過(guò)其晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)加強(qiáng)。

選擇性激光熔化技術(shù)包括一個(gè)激光束，通過(guò)數(shù)字3D模型預(yù)先編程，用于熔化金屬粉末床的特定區(qū)域，以便將金屬顆粒熔合在一起形成特定形狀。 由于3D打印技術(shù)具有在一個(gè)階段自動(dòng)生成復(fù)雜幾何圖形的潛力，因此無(wú)需過(guò)多的人力或工具成本，因而受到重視。

由于其更高的分辨率和所得部件的強(qiáng)度，SLM優(yōu)于類(lèi)似的金屬AM工藝。盡管與其他技術(shù)相比其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但SLM 3D打印在延展性和韌性方面仍然需要改進(jìn)。通常需要廣泛的后處理來(lái)提高SLM制造的部件的性能，由于內(nèi)部孔隙，各向異性，缺乏熔合缺陷和其他問(wèn)題，這些部件可能很強(qiáng)但過(guò)分脆化。多年來(lái)，工程師一直在試圖解決金屬3D打印強(qiáng)度和韌性之間的折衷問(wèn)題。

該研究項(xiàng)目試圖通過(guò)研究使用SLM 3D打印生產(chǎn)的零件的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。他們發(fā)現(xiàn)可以觀察到兩種不同的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為<011>和更常見(jiàn)的<001>。前者能夠生產(chǎn)出更加堅(jiān)韌和更具延展性的部件。

當(dāng)變形力施加到SLM 3D打印部件時(shí)，有兩種不同的機(jī)制可以使晶體結(jié)構(gòu)變形。一個(gè)被稱(chēng)為位錯(cuò)滑動(dòng)，另一個(gè)被稱(chēng)為變形孿生。變形孿生是延展性和韌性方面的首選機(jī)制，<011>結(jié)構(gòu)的零件更頻繁地表現(xiàn)出這種機(jī)制。


使用復(fù)雜的熔池幾何和行為模擬，研究人員探索不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，更高的激光功率更有可能實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，就像更短，更深的熔池一樣。

△使用不同激光源的熔池。所有圖片，來(lái)源：NPG Asia Materials

△使用380W和950W激光功率的SLM構(gòu)建的SS316L樣品中形成<001>和<011>晶體學(xué)結(jié)構(gòu)

研究人員利用海洋級(jí)不銹鋼316L（一種用于工業(yè)用途和SLM 3D打印的常用材料），能夠在原位調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的性能。 在設(shè)計(jì)具有<011>晶體結(jié)構(gòu)的部件中，延展性和韌性水平高達(dá)40％。

除此之外，掃描策略等對(duì)結(jié)果也有一定的影響，更多技術(shù)細(xì)節(jié)可以閱讀論文原文。


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41427-018-0018-5


編譯自：3ders