德克薩斯A&M大學(xué)研究人員開發(fā)的一種新方法優(yōu)化了合金性能和工藝參數(shù)，以制造出優(yōu)質(zhì)的無缺陷3D打印金屬零件，從而推動其在增材制造、航空航天、汽車和國防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

日前，德克薩斯A&M大學(xué)(Texas A&M University,TAMU)研究團隊的一項最新研究可能會使使用激光床粉末熔融3D打印技術(shù)打印金屬合金的均勻、無缺陷零件變得更加容易。

研究人員系統(tǒng)地研究了合金成分對微結(jié)構(gòu)的印刷適性和凝固性的影響，以更好地理解合金成分、工藝變量和熱力學(xué)如何影響增材制造的零件。通過3D打印實驗，他們定義了優(yōu)化合金性能所需的合金化學(xué)成分和工藝參數(shù)，并在微型尺度上打印出優(yōu)質(zhì)、相同的零件。利用機器學(xué)習(xí)(Machine Learning, ML)，他們創(chuàng)建了一個公式，可以用于任何類型的合金，以防止不均勻性。

研究中使用的鎳粉合金的彩色電子顯微照片。來源：Raiyan Seede。

研究原理

用于增材制造的合金金屬粉末可以包含不同濃度的金屬混合物，例如鎳、鋁和鎂。在激光床粉末熔融3D打印過程中，這些粉末在被激光束加熱后會迅速冷卻。合金粉末中的不同金屬具有不同的冷卻性能，并且以不同的速率凝固。這種不一致會產(chǎn)生微觀缺陷或微觀偏析。

研究人員Raiyan Seede說：“當合金粉末冷卻時，個別金屬會沉淀出來。我們可以想象一下把鹽倒在水里的情況。當鹽的量很少時，它會立即溶解，但是當你倒入更多的鹽時，沒有溶解的多余鹽顆粒則開始以晶體的形式沉淀出來。這就相當于我們的金屬合金在印刷后迅速冷卻時發(fā)生的情況，兩者并無不同。”我們可以把沉淀帶來的缺陷想象成小口袋，在這個口袋里的金屬成分濃度與印刷部分的其他區(qū)域略有不同。

L-PBF工藝參數(shù)圖（最終確定的匙孔標準和最大填充間距輪廓）。鎳-20at% 銅和鎳-5at% 鋁最終確定的匙孔標準為是熔池寬度/深度（表示為W/D）≤ 1.2，鎳-5at% 鋯和鎳-8.8at% 鋯的W/D≤ 1.5。對于所有地圖，缺乏熔融的標準保持在D ≤ 0.667t，、使用支持向量機(SVM)將成球區(qū)域擬合到單軌道實驗數(shù)據(jù)。D:熔池深度，W:熔池寬度，t:粉末層厚度，hmax:最大開口間距。

研究人員首先研究了四種二元鎳基合金的凝固微觀結(jié)構(gòu)。在實驗中，他們研究了每種合金在不同溫度和鎳基合金中其他金屬濃度增加時的物理相。利用詳細的相圖，研究人員確定了每種合金的化學(xué)成分，這種成分在增材制造過程中會導(dǎo)致最少的微觀偏析。

接下來，研究人員在不同的激光設(shè)置下熔化了合金金屬粉末的單一軌跡，并確定了激光粉末床熔化工藝參數(shù)，該工藝參數(shù)將提供無氣孔零件。

鎳鋅合金單次激光掃描橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。深色的富鎳相交錯著具有均勻微觀結(jié)構(gòu)的較輕相。在熔池結(jié)構(gòu)中也可以觀察到孔隙。

這些信息為團隊提供了激光設(shè)置和鎳基合金成分的綜合分析，從而可以產(chǎn)生沒有顯微偏析的、無孔隙印刷零件。研究人員接下來會訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型來識別單線實驗數(shù)據(jù)和相圖中的模式，以開發(fā)一個可用于任何合金的微觀偏析方程。

左側(cè)欄：以212瓦和0.3米/秒的速度打印的每種合金成分的單個軌跡的光學(xué)顯微照片，紅、藍色方框表示波長色散光譜圖（wavelength dispersive spectroscopy，WDS）的繪制位置。

中間欄：從每個熔池頂部拍攝的WDS圖

右側(cè)欄：從每個熔池邊緣拍攝的圖，在光學(xué)顯微照片中用顏色編碼。白色虛線表示在這些圖像中難以區(qū)分的邊界

考慮到合金的凝固范圍、材料特性以及激光的功率和速度，Seede等人設(shè)計的該方程旨在預(yù)測偏析程度?！拔覀兩钊胙芯亢辖鸬奈⒄{(diào)微觀結(jié)構(gòu)，以便更精細地對最終印刷物體的性能進行管理和控制?！?/p>

應(yīng)用前景

隨著合金在增材制造中的使用增加，印刷符合或超過制造質(zhì)量標準的零件的挑戰(zhàn)也將增加。該研究將使制造商能夠優(yōu)化合金化學(xué)和工藝參數(shù)，以便合金可以專門設(shè)計用于增材制造，制造商們自己就可直接控制微觀結(jié)構(gòu)。

Ibrahim Karaman教授說：“我們的方法使不同成分的合金在增材制造中的成功應(yīng)用變得更容易、更觸手可及，與此同時不用擔(dān)心任何缺陷（即使是在微型尺度上）的形成?！?/p>

這項工作將對航空航天、汽車和國防行業(yè)大有裨益，可滿足這些領(lǐng)域的需求——以更好的方法來定制金屬零件。

來源：Photonics官網(wǎng)，Raiyan Seede et al.,Effect of composition and phase diagram features on printability and microstructure in laser powder bed fusion: Development and comparison of processing maps across alloy systems,Additive Manufacturing，https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102258