導讀：

金屬增材制造(AM)有望徹底改變我們生產和使用某些零件的方式。與傳統(tǒng)制造方法相比，它優(yōu)勢明顯。如減少了材料浪費，節(jié)省了勞動時間，簡化了復雜幾何零件的制造工序。但是它并非完美，也存在一些缺陷。正視缺陷，不斷優(yōu)化，才能進一步提升其結構性能！

制造過程中可能會出現眾多小缺陷或者誤差(小到10-50微米)，對產品結構性能的穩(wěn)定性和持續(xù)性形成了挑戰(zhàn)。但大家對這些缺陷的影響還比較陌生。也尚未重視。此外，在認證和標準占主導的領域，由于缺乏處理數據和標準協(xié)議，很難對他們進行準確歸類。

▲約翰·霍普金斯應用物理實驗室 （Johns Hopkins Applied Physics Laboratory —APL) 來源：官網

馬里蘭州勞雷爾的約翰·霍普金斯應用物理實驗室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory—APL)的研究人員著手更好地了解不同缺陷對AM材料機械性能的影響。最近發(fā)表在《Journal of Materials Processing Technology》上的“揭示缺陷形態(tài)和微觀結構對通過激光粉末床熔化制造的Ti-6Al-4V合金的拉伸行為的耦合影響”（文章Uncovering the coupled impact of defect morphology and microstructure on the tensile behavior of Ti-6Al-4V fabricated via laser powder bed fusion）中，提供了相應數據來幫助我們理解這些缺陷的影響并助力我們進行決策。

目前，制造AM的方法之一是選擇性激光熔化，這是一種利用激光能量熔化金屬粉末的過程?！凹す夥勰┐踩廴谑且环N占主導地位的AM制造技術，但由于存在小缺陷，其潛力有待進一步挖掘，”該文作者、APL研究和探索發(fā)展部(REDD)的機械工程師Steven Storck說，“問題在于打印過程中有時會形成微小的氣泡或孔隙，這些孔隙會給制造出來的成品帶來某區(qū)域強度的不確定性，也會影響其性能。” 所謂的缺陷就是指未熔合和匙孔。前者發(fā)生在沒有足夠的能量完全熔化金屬粉末床時；后者則是由于過高的能量在熔融粉末床中形成流體動力不穩(wěn)定性時。當能量密度偏離最佳水平，缺陷就會變多、變大。

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等人以及來自海軍空戰(zhàn)中心飛機分部的Brandi Briggs和Jay Waterman在研究時曾有意將這兩種缺陷引入樣本，以確定它們對零件機械性能的具體影響。

結果表明，雖然每種類型的缺陷多次出現會帶來不利影響，但在匙孔中(在相似的缺陷密度下)比在缺乏熔融的影響要小。該團隊還發(fā)現，匙孔缺陷周圍的微結構細化可以抵消缺陷的弱化效應。即使是在高達4-5%的孔隙率的區(qū)域，也能產生與孔隙率可忽略不計的零件相同的屈服強度，這是許多機械工程師用來設計零件的目標指標。

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

Storck解釋說：“我們修改了激光加工條件，以模擬加工過程中的自然缺陷，并在鎖孔和缺乏熔融的地方模擬了三個相似數量的缺陷，然后我們使用X射線計算機斷層掃描技術對每個加工條件下的材料進行掃描和量化，以了解缺陷尺寸和繪制缺陷分布圖，并在單向拉伸測試中對包含這些缺陷的樣品進行比較，以確定給定缺陷數量的首選缺陷域?！?/p>

這項研究是APL與美國海軍航空系統(tǒng)司令部正在進行的研究中的一部分，旨在了解AM制造缺陷的影響。Storck說:“我們目前的研究正在利用這一發(fā)現，結合機器學習，重寫我們用激光熔化處理材料的方法。

管理REDD極端和多功能材料科學項目的Morgan Trexler補充道：“這項工作為將來認證AM零件奠定了基礎。就加工條件對材料和部件的最終微觀結構和性能的影響形成正確認知，能夠為安全實施增材制造零件協(xié)議提供科學依據?！?/p>

來源：Timothy Montalbano et al, Uncovering the coupled impact of defect morphology and microstructure on the tensile behavior of Ti-6Al-4V fabricated via laser powder bed fusion, Journal of Materials Processing Technology (2021). DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117113