中子幫助研究人員觀察3D打印部件的實時應力減少

來源：江蘇激光聯(lián)盟

材料在制造過程中所經(jīng)歷的熱、壓力和力，例如成型、鑄造和成型，會導致制造出來的金屬零件內(nèi)部不一致。這些不一致性包括變形和不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，或“應變”，這可能導致零件開裂和失效。

△通用電氣正在使用中子實驗來開發(fā)改進的計算機模型，以幫助預測3D打印部件是否以及在哪里可能會破裂。Oak Ridge National Laboratory

減少制造部件的內(nèi)部應變是制造后熱處理(如退火)普遍存在的原因。退火是指將制造的零件加熱到高溫，以減少或消除內(nèi)應力。

通用電氣全球研究院和加州大學伯克利分校的科學家們正致力于改進生產(chǎn)模型，以幫助更好地設計和熱處理零件。在最近的一項研究中，他們將重點放在了使用增材制造技術(AM)制造的部件上，這種技術是一層一層地制造3D部件，或稱“打印”。在美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的中子實驗中，他們分析了與AM過程相關的內(nèi)應力形成。研究結(jié)果題為“通過原位中子成像監(jiān)測添加劑制造的Inconel 625的殘余應變弛豫和優(yōu)選晶粒取向”，發(fā)表在增材制造雜志上。

△三坐標測量機對一組具有相同工藝參數(shù)的樣品進行失真測量，顯示零件之間的變異性。顏色條表示以毫米為單位的位移。

這項研究涉及到使用基于激光的AM制造的零件，它使用激光熔化和沉積一種結(jié)構(gòu)材料。熔化的材料——通常以粉末狀金屬或塑料開始——迅速冷卻和硬化，然后再在上面沉積另一層。

基于激光的AM也會由于構(gòu)建過程中的快速加熱和冷卻而引起內(nèi)部應變。退火可以減少內(nèi)應力，但過多的熱量會導致材料中不必要的結(jié)構(gòu)變化。

利用ORNL的VULCAN光束線上的中子衍射，研究人員測量了Inconel 625(一種常見的金屬合金)建成樣品內(nèi)部的高內(nèi)部殘余應變。另一種補充技術，中子成像，隨后在ORNL的SNAP束流線上被用于實時測量——如何退火零件減少內(nèi)應力。初步標定實驗是在日本質(zhì)子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束線上進行的。

△(a)未平均的仿真結(jié)果和(b)經(jīng)過零件厚度平均后的仿真結(jié)果的比較。

“當使用激光調(diào)幅時，被熔化的表層非常熱，而下層已經(jīng)冷卻。這種溫度變化會產(chǎn)生內(nèi)部應力，導致開裂。”通用電氣全球研究的首席工程師Ade Makinde說，“中子幫助我們在退火過程中通過爐壁實時觀察。我們觀察在加熱過程中，材料中的應力在哪里減少，在什么溫度下減少。這是一種平衡。我們需要加熱材料以減少應力，但避免溫度過高，以防止不必要的結(jié)構(gòu)變化�！�

獲得的數(shù)據(jù)有助于通用電氣改進其生產(chǎn)過程的計算機建模，以減少或消除打印部件的機械故障。例如，該模型可以展示如何通過改變零件的形狀，將生產(chǎn)過程中發(fā)生的內(nèi)應力降至最低，從而使零件變得更堅固。它還可以表明，改變激光束的寬度或激光傳播的速度是否可以提高生產(chǎn)質(zhì)量。

加州大學伯克利分校的物理學家Anton Tremsin說:“SNAP光束線的中子成像促進了實驗，因為全世界只有少數(shù)幾個中子設備能做到。是的，x射線衍射測量可以監(jiān)測特定點的應變弛豫。然而，中子成像可以讓我們以非常高的空間分辨率同時、實時地觀察整個大塊材料。這些數(shù)據(jù)將幫助我們開發(fā)新型無損檢測技術的儀器和數(shù)據(jù)分析方法�！�

△試樣2-2的應變圖在SNAP光束線上測量。(a)升溫過程從室溫到680℃。在2 h的時間內(nèi)對室溫圖像進行積分，在10 min的積分時間內(nèi)獲得所有高溫圖像，以匹配退火過程的時間尺度。溫度是加熱過程中的平均值。討論中使用了指定為區(qū)域1和2的矩形;(b) 700°C退火40min的應變圖，(C) 875°C退火40min的應變圖。所有圖像的整合時間超過10分鐘。每個圖像的時間戳是參考退火的開始。

研究小組在1300華氏度或1600華氏度(700攝氏度或875攝氏度)的真空爐中對每個3D打印部件進行了數(shù)小時的退火，中子很容易穿透真空爐壁，并在內(nèi)部應變緩解時對整個體件進行成像。在較低的溫度下，壓力釋放可以在1.0到1.5小時內(nèi)完成，而在較高的溫度下，只需要幾分鐘。

“在生產(chǎn)過程中，內(nèi)部應變的數(shù)量和分布與激光束速度、激光功率和其他參數(shù)有關，”O(jiān)RNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束線的首席儀器科學家Ke An說。實驗數(shù)據(jù)是無價的，以及更好地理解如何在不降低結(jié)構(gòu)完整性的情況下更快地退火零件。這意味著通用電氣和其他行業(yè)研究伙伴現(xiàn)在可以有信心預測如何改進他們的產(chǎn)品設計和生產(chǎn)流程�！�

△1區(qū)應變分布隨時間和溫度的直方圖0被定義為退火的開始。該插圖使用彩色編碼的實心圓來表示采集直方圖數(shù)據(jù)時的溫度。

“這項研究表明，工業(yè)界、學術界和能源部實驗室可以如何在現(xiàn)實世界的挑戰(zhàn)中合作，”O(jiān)RNL高通量同位素反應堆(HFIR)成像光束的首席科學家Hassina Bilheux說�！癘RNL是美國唯一有能力為全球中子用戶社區(qū)提供互補衍射和中子成像技術的設施。我們還提供高速數(shù)據(jù)采集和分析專業(yè)知識�！�

Bilheux補充說，目前正在SNS建設的金星成像光束將具有更廣泛的中子能量供用戶使用。用戶實驗也將受益于升級后的SNS直線加速器更強烈的、2.0兆瓦的質(zhì)子功率�！癡ENUS將能夠增強設備在高溫和高壓等極端條件下的結(jié)構(gòu)和機械行為的成像。用戶還將利用獨特的脈沖源中子成像技術，更好地理解更廣泛的材料、制造和生產(chǎn)過程�！�

“在通用電氣，我們對這些實驗的數(shù)據(jù)和ORNL的中子設施的使用是多么容易感到非常高興，”Makinde說�！八�有必要的設備都已經(jīng)在光束線上安裝和校準，所以，舉例來說，我們不需要帶自己的真空爐。SNAP光束線上的熔爐保持著可控的溫度，一切都是同步的，以確保準確的數(shù)據(jù)采集�！�

通用電氣的科學家們正在利用這些數(shù)據(jù)開發(fā)改進的計算機模型，以幫助預測3D打印部件是否以及在哪里可能會破裂。然后，他們可以確定如何減少內(nèi)應力和優(yōu)化設計，以幫助防止此類缺陷。

來源：Monitoring residual strain relaxation and preferred grainorientation of additively manufactured Inconel 625 by in-situ neutron imaging,Additive Manufacturing (2021). DOI: 10.1016/j.addma.2021.102130