調整合金微化學以實現(xiàn)完美金屬 3D 打印

來源：白令三維

在過去的幾十年里，金屬 3D 打印率先創(chuàng)造了形狀復雜、功能強大的定制部件。但隨著增材制造商為他們的 3D 打印需求添加了更多合金，因此在創(chuàng)建均勻、無缺陷的零件方面面臨挑戰(zhàn)。

德克薩斯 A&M 大學研究人員的一項新研究進一步完善了使用激光粉末床融合 3D 打印技術制造優(yōu)質金屬零件的過程。通過結合使用機器學習和單軌 3D 打印實驗，他們確定了在微觀尺度上打印具有均勻特性的零件所需的有利合金化學成分和工藝參數(shù)，如激光速度和功率。

“我們最初的挑戰(zhàn)是確保打印部件中沒有孔隙，因為這是創(chuàng)造具有增強機械性能的物體的明顯殺手，”材料科學與工程系博士生 Raiyan Seede 說�！暗�是在我們之前的工作中解決了這個挑戰(zhàn)之后，在這項研究中，我們深入研究了合金的微觀結構微調，以便在比以前更精細的尺度上更好地控制最終打印物體的屬性�！�

研究人員在《增材制造》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn) 。

與其他 3D 打印方法一樣，激光粉末床融合也可以逐層構建 3D 金屬零件。該過程首先在基板上滾動一層薄薄的金屬粉末，然后用激光束沿著跟蹤預期零件橫截面設計的軌跡熔化粉末。然后，施加另一層粉末并重復該過程，逐漸構建最終部件。

用于增材制造的合金金屬粉末可能非常多樣化，包含不同濃度的鎳、鋁和鎂等金屬混合物。在打印過程中，這些粉末在被激光束加熱后迅速冷卻。由于合金粉末中的各個金屬具有非常不同的冷卻特性，因此以不同的速度凝固，這種不匹配會產(chǎn)生一種稱為微偏析的微觀缺陷。

Seede 說：“當合金粉末冷卻時，單個金屬會沉淀出來。想象一下將鹽倒入水中。當鹽的量很少時，它會立即溶解，但是隨著您倒入更多的鹽，不溶解的多余鹽顆粒開始以晶體形式沉淀出來。從本質上講，這就是我們的金屬合金在打印后迅速冷卻時發(fā)生的情況�！�

他說，這種缺陷表現(xiàn)為微小的口袋，其中包含的金屬成分濃度與打印部件的其他區(qū)域略有不同。這些不一致會損害打印對象的機械性能。

為了糾正這種微缺陷，研究小組研究了四種含有鎳和一種其他金屬成分的合金的凝固過程。特別是，對于這些合金中的每一種，他們研究了在不同溫度下存在的物理狀態(tài)或相，以增加鎳基合金中其他金屬的濃度。根據(jù)詳細的相圖，他們可以確定合金的化學成分，從而在增材制造過程中將微觀偏析降至最低。

接下來，他們針對不同的激光設置熔化了單一軌跡的合金金屬粉末，并確定了可生產(chǎn)無孔隙零件的工藝參數(shù)。然后，他們將從相圖中收集到的信息與從單軌實驗中收集到的信息結合起來，以獲得激光設置和鎳合金成分的綜合視圖，這將產(chǎn)生無孔隙的印刷部件，而不會出現(xiàn)微觀偏析。

最后，研究人員更進一步，訓練機器學習模型來識別單軌實驗數(shù)據(jù)和相圖中的模式，以開發(fā)適用于任何其他合金的微觀偏析方程。Seede 表示，該方程旨在根據(jù)凝固范圍、材料特性以及激光功率和速度來預測偏析程度。

雪佛龍 I 教授兼材料科學與工程系主任Ibrahim Karaman 說：“我們的方法簡化了不同成分合金在增材制造中的成功使用，而無需擔心引入缺陷，即使是在微觀尺度上。這項工作將對航空航天、汽車和國防行業(yè)大有裨益，這些行業(yè)一直在尋找更好的方法來制造定制金屬零件�！�

研究合作者 Raymundo Arroyavé 和 Alaa Elwany 補充說，他們的方法的獨特之處在于它的簡單性，可以很容易地被行業(yè)采用，以使用所選合金制造堅固、無缺陷的零件。他們指出，他們的方法與先前主要依靠昂貴、耗時的實驗來優(yōu)化加工條件的努力形成對比。