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镍合金粉末的缩放图像。
德州农工大学的研究人员开发了一种新方法,通过优化合金性能和工艺参数,创造出卓越的3d打印金属零件。这里显示的是研究中使用的镍粉末合金的彩色电子显微图。|图片:礼貌的raiyan yeye

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打印的需求,添加了更多的合金,因此,制造统一、无缺陷的部件的挑战也越来越大。

德克萨斯州A&M大学研究人员的一项新研究进一步精致了使用激光粉床融合3D打印技术创建优质金属部件的过程。通过使用机器学习和单轨3D打印实验的组合,它们已经确定了有利的合金化学和工艺参数,如激光速度和功率,需要在微观尺寸下打印具有均匀性质的零件。

“我们的原始挑战是确保印刷部件中没有毛孔,因为这是制造机械性能增强的对象的明显杀手,”材料科学与工程系博士生博士生说。“但是,在我们之前的工作中解决了这一挑战,在这项研究中,我们深入潜入到合金的微观结构中,使得在比以前更精细地的最终印刷物体的性质更加控制。”

研究人员在期刊上发表了他们的研究结果添加剂制造

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金属零件。该工艺首先在基板上滚动一层薄薄的金属粉末,然后用激光束沿着沿着预期零件的横截面设计的轨迹熔化粉末。然后,再涂上一层粉末,重复这一过程,逐渐形成最后的部分。

用于添加剂制造的合金金属粉末可以是相当多样的,含有金属的混合物,例如镍,铝和镁,不同浓度。在印刷期间,这些粉末被激光束加热后迅速冷却。由于合金粉末中的个体金属具有非常不同的冷却性能,因此以不同的速率固化,因此该错配可以产生一种称为微量测定的微观缺陷。

“当合金粉末冷却时,单个金属就会析出,”Seede说。“想象一下往水里倒盐。当盐的量很小的时候,它很快就溶解了,但当你倒更多的盐,多余的不溶解的盐颗粒开始沉淀成晶体。本质上,这就是我们的金属合金在印刷后迅速冷却时所发生的事情。”

他说,这个缺陷看起来像一个小口袋,里面的金属成分浓度与印刷部件的其他区域略有不同。这些不一致损害了打印物体的机械性能。

为了纠正这一微缺陷,研究小组研究了四种含镍合金和另一种金属成分的凝固。特别是,他们研究了这些合金在不同温度下的物理状态或相,以增加镍基合金中其他金属的浓度。因此,通过详细的相图,他们可以确定在添加剂制造过程中导致最小微偏析的合金的化学成分。

接下来,他们在不同的激光设置下熔化了单一轨道的合金金属粉末,并确定了生产无孔隙零件的工艺参数。然后,他们将从相图中收集到的信息与从单轨实验中收集到的信息结合起来,以获得激光设置和镍合金组成的统一视图,从而产生无孔隙、无微偏析的打印部件。

一层金属粉末。
镍和锌合金的单个激光扫描截面的扫描电子显微镜图像。在这里,深色的富镍相交织着具有均匀微观结构的浅色相。在熔池结构中也可以观察到孔隙。|图片:礼貌的raiyan yeye

最后,研究人员进一步和训练了机器学习模型,以识别其单轨实验数据和相图中的模式,以开发适用于任何其他合金的微量测定的方程。SEDE表示,该等式设计用于预测给定凝固范围,材料特性和激光功率和速度的偏析程度。

“我们的方法能够在没有引入微尺度的情况下,在没有引入缺陷的关注的情况下,在没有引入缺陷的关注的情况下,我们的方法可以成功地使用不同组合物的合金。”“这项工作对于航空航天,汽车和国防产业的工作非常好,这些行业不断寻找更好的建造定制金属部件。”

研究合作者,RaymundoArroyavé博士和Alaa Elwany博士补充说,其方法的独特性是其简单性,这很容易被行业改编,以建立具有选择合金的坚固,无缺陷的零件。他们指出,它们的方法对比主要依赖于昂贵,耗时的实验的努力,以优化加工条件。

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。该研究的其他贡献者包括材料科学与工程系的Austin Whitt和William Trehern,以及工业与系统工程系的Jiahui Ye。

该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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