現(xiàn)如今，隨著金屬增材制造技術(shù)的進(jìn)步，將有望徹底改變部分零件的生產(chǎn)方式。與傳統(tǒng)制造工藝相比，金屬增材制造減少了材料浪費(fèi)和勞動(dòng)時(shí)間，并且簡(jiǎn)化了創(chuàng)建復(fù)雜幾何零件的步驟。

然而，在金屬增材制造過程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)百個(gè)非常小的缺陷，通常大小為~10-50微米。由于這些細(xì)微缺陷的存在，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

■圖片來源：CC0 Public Domain

目前，關(guān)于這些缺陷對(duì)工程制造的具體影響尚不明確；但是在認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)極高的領(lǐng)域中，由于缺乏處理數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制定，很難將這些存有細(xì)微缺陷的零件歸類為良品還是廢品。

近期，位于美國(guó)馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的研究人員，正著手更好地了解不同缺陷對(duì)增材制造材料機(jī)械性能的影響。在最近發(fā)表的《材料加工技術(shù)》雜志上，研究團(tuán)隊(duì)以《揭示缺陷形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)通過激光粉末床熔融制造Ti-6Al-4V拉伸行為的耦合影響》為題，文中提供的數(shù)據(jù)幫助業(yè)界理解缺陷的影響。

目前，制造金屬增材制造部件的一種方法是通過選擇性激光熔化（選區(qū)激光熔化，selective laser melting），這是一種使用激光能量熔化金屬粉末的過程?！凹す夥勰┐踩廴谑且环N占主導(dǎo)地位的增材制造技術(shù)，但尚未發(fā)揮出其全部潛力，”本文通訊作者、約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究與探索發(fā)展部機(jī)械工程師Steven Storck表示，“問題是在3D打印過程中有時(shí)會(huì)形成非常微小的氣泡或氣孔，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致成品強(qiáng)度降低以及其他一些不確定性?！?/p>

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，加工缺陷主要有兩種自然形態(tài)：未熔融和鎖孔。前者發(fā)生在沒有足夠能量完全熔化金屬粉末時(shí)；后者是當(dāng)過高的能量密度在熔融粉末床中形成流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性時(shí)，就會(huì)生成小孔缺陷。隨著能量密度偏離最佳水平時(shí)，缺陷的數(shù)量和大小都會(huì)增加。

■通過選擇性激光熔化的方式在工件表面刻上“APL”標(biāo)志（圖片來源：Johns Hopkins APL/Ed Whitman）

Steven Storck與研究與探索發(fā)展部的合著者Timothy Montalbano、Salahudin Nimer、Christopher Peitsch、Joe Sopcisak和Doug Trigg以及來自海軍空戰(zhàn)中心飛機(jī)分部的 Brandi Briggs和Jay Waterman，在研究過程中特意將這兩類缺陷引入樣品，以確定它們?nèi)绾斡绊懥慵臋C(jī)械性能。

結(jié)果表明，每種類型的缺陷如果有大量出現(xiàn)時(shí)都不容忽視。但與缺少熔融相比，零件出現(xiàn)的鎖孔區(qū)域似乎不那么緊要。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，鎖孔缺陷周圍的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化可以抵消缺陷的弱化效應(yīng)。即使在高達(dá)4-5%孔隙率的鎖孔區(qū)域部分，也能達(dá)到與孔隙率可忽略不計(jì)的零件相同的屈服強(qiáng)度，這是許多機(jī)械工程師用來設(shè)計(jì)零件的指標(biāo)。

“我們修改了激光加工條件以模擬過程中的自然故障，并在鎖孔區(qū)域和未熔融區(qū)域產(chǎn)生了三個(gè)相似數(shù)量的缺陷，”Steven Storck解釋說，“然后使用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和量化每個(gè)工件材料，以繪制缺陷尺寸和具體位置。最后，在單向拉伸測(cè)試中比較包含這些缺陷的樣品，確定給定數(shù)量缺陷的首選缺陷區(qū)域?！?/p>

這項(xiàng)研究成果是約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室為未來認(rèn)證金屬增材制造零件邁出的重要一步。當(dāng)前，研究團(tuán)隊(duì)正在使用這一發(fā)現(xiàn)與機(jī)器人學(xué)習(xí)相結(jié)合來，重新構(gòu)建用激光熔化處理金屬材料的工藝。

“這項(xiàng)工作是未來對(duì)AM部件進(jìn)行認(rèn)證奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵一步，”其中的一位研究者M(jìn)organ Trexler表示，“對(duì)加工條件產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)和性能影響的理解，將為制定增材制造零件的標(biāo)準(zhǔn)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。”