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放大图像的镍合金粉末。
德州农工大学的研究人员开发的一种新方法优化了合金性能和工艺参数,以创建优质的3d打印金属部件。这里显示的是研究中使用的镍粉合金的彩色电子显微照片。|图片:由Raiyan seed提供

在过去的几十年里,金属3D打印在创造复杂形状和高功能的定制部件方面处于领先地位。但是,随着添加剂制造商为满足3D打印需求而添加了更多的合金,因此在制造均匀、无缺陷的部件方面面临的挑战也越来越大。

德州农工大学研究人员的一项新研究,进一步完善了使用激光粉末床融合3D打印技术制造优质金属零件的过程。通过结合使用机器学习和单轨道3D打印实验,他们已经确定了有利的合金化学成分和工艺参数,如激光速度和功率,需要在微尺度上打印具有均匀性能的部件。

材料科学与工程系的博士生Raiyan seed说:“我们最初的挑战是确保打印部件中没有孔隙,因为这是创造具有增强机械性能的物体的明显杀手。”“但在我们之前的工作中解决了这一挑战,在这项研究中,我们深入研究了微调合金的微观结构,以便在比以前更细的规模上对最终打印物体的性能有更多的控制。”

研究人员已在该杂志上发表了他们的发现加法制造

与其他3D打印方法一样,激光粉末床融合也可以一层一层地构建3D金属部件。该工艺首先在底板上滚上一层薄薄的金属粉末,然后用激光束沿着目标零件截面设计的轨迹融化粉末。然后,再涂上一层粉末,重复这一过程,逐渐形成最后的部分。

用于增材制造的合金金属粉末可以非常多样化,含有不同浓度的金属混合物,如镍、铝和镁。在打印过程中,这些粉末被激光束加热后迅速冷却。由于合金粉末中的单个金属具有非常不同的冷却性能,因此以不同的速度凝固,这种不匹配会产生一种称为微偏析的微观缺陷。

“当合金粉末冷却时,单个金属可以析出,”seed说。“想象一下把盐倒在水里。当盐的量很少时,它会立即溶解,但当你倒更多的盐时,没有溶解的多余盐颗粒开始以晶体的形式析出。从本质上讲,这就是我们的金属合金在打印后迅速冷却时所发生的事情。”

他说,这种缺陷表现为小口袋,其中的金属成分浓度与打印部分的其他区域略有不同。这些不一致损害了打印对象的机械性能。

为了纠正这一微缺陷,研究小组研究了四种含有镍和另一种金属成分的合金的凝固。特别是,对于这些合金,他们研究了在不同温度下增加其他金属在镍基合金中的浓度时的物理状态或相。因此,从详细的相图中,他们可以确定在增材制造过程中导致最小微偏析的合金化学成分。

接下来,他们用不同的激光设置融化了合金金属粉末的单一轨道,并确定了产生无孔零件的工艺参数。然后,他们将从相图中收集到的信息与从单轨道实验中收集到的信息结合起来,以获得激光设置和镍合金成分的统一视图,从而产生无孔隙、无微偏析的打印部件。

一条金属粉末的痕迹。
镍锌合金单激光扫描截面的扫描电子显微镜图像。在这里,深色的富镍相与结构均匀的浅色相交织。在熔池结构中还可以观察到孔隙。|图片:由Raiyan seed提供

最后,研究人员进一步训练机器学习模型来识别他们的单轨道实验数据和相图中的模式,以开发一个适用于任何其他合金的微偏析方程。Seede表示,该方程的设计是为了预测凝固范围、材料性质、激光功率和速度等因素下的偏析程度。

雪佛龙第一教授、材料科学与工程系主任易卜拉欣·卡拉曼博士表示:“我们的方法简化了不同成分的合金在增材制造中的成功使用,而无需担心在微观尺度上引入缺陷。”“这项工作将对航空航天、汽车和国防工业大有裨益,因为这些工业一直在寻找更好的方法来制造定制金属部件。”

研究合作者Raymundo博士Arroyavé和Alaa Elwany博士补充说,他们的方法的独特之处在于它的简单性,可以很容易地被工业所适应,用选择的合金制造坚固、无缺陷的部件。他们指出,他们的方法与以前主要依靠昂贵、耗时的实验来优化加工条件的努力形成了对比。

Arroyavé是材料科学与工程系的教授,Elwany是Wm Michael Barnes ' 64工业与系统工程系的副教授。这项研究的其他贡献者包括来自材料科学与工程系的Austin Whitt和William Trehern,以及来自工业与系统工程系的Jiahui Ye。

这项研究得到了美国陆军研究办公室和国家科学基金会的支持。

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