材料在制造過程中（例如成型、鑄造和成型）所經(jīng)歷的熱量、壓力可能會導(dǎo)致金屬零件內(nèi)部出現(xiàn)不一致的情況出現(xiàn)，通常包括變形和不均勻的微觀結(jié)構(gòu)或“應(yīng)變”，從而導(dǎo)致零件開裂和失效。

減少制造零件的內(nèi)部應(yīng)變是常見的后期熱處理（例如退火）的原因。退火工藝是將制造的零件加熱到高溫以減少或減輕內(nèi)部應(yīng)力。GE全球研究中心和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們正在努力改進(jìn)生產(chǎn)模型，以幫助更好地設(shè)計(jì)和熱處理零件。

在最近的一項(xiàng)研究中，他們專注使用增材制造技術(shù)，生產(chǎn)的零件通過逐層“打印”形成。他們在美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的中子實(shí)驗(yàn)中分析了與增材制造過程相關(guān)的內(nèi)應(yīng)力形成。最后，研究團(tuán)隊(duì)將成果以“通過原位中子成像監(jiān)測增材制造的Inconel 625的殘余應(yīng)變松弛和優(yōu)選晶粒取向”論文發(fā)表在Additive Manufacturing上。

GE 正在使用中子實(shí)驗(yàn)開發(fā)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型，幫助預(yù)測3D 打印零件內(nèi)部是否有缺陷
（來源：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室）

該研究涉及使用基于激光的增材制造制造零件，該工藝具體采用激光熔化和沉積結(jié)構(gòu)材料。熔化的材料（通常以粉末金屬或塑料開始）在另一層沉積在其頂部之前快速冷卻和硬化。由于在構(gòu)建過程中快速加熱和冷卻，激光增材制造工藝會導(dǎo)致零件內(nèi)部生成應(yīng)變。退火可以減少內(nèi)應(yīng)力，但過多的熱量會導(dǎo)致材料發(fā)生不必要的結(jié)構(gòu)變化。

在ORNL的VULCAN光束線上使用中子衍射，研究人員測量了Inconel 625（一種常見金屬合金）的竣工樣品內(nèi)部的內(nèi)部殘余應(yīng)變。然后，研究人員又在SNAP光束線上使用了一種補(bǔ)充技術(shù)即中子成像，以實(shí)時(shí)測量零件退火過程中內(nèi)應(yīng)力的下降變化。初始校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)在日本質(zhì)子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束線上進(jìn)行。

“當(dāng)使用激光增材制造時(shí)，被熔化的頂層非常熱而下層已經(jīng)冷卻。這種溫度變化容易讓零件內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)致開裂的內(nèi)應(yīng)力，”GE全球研究部的首席工程師Ade Makinde說，“在退火過程中，中子幫助我們實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觀察。我們觀察了加熱過程中材料的應(yīng)力降低的位置以及對應(yīng)的溫度值。我們需要加熱材料以降低應(yīng)力，但要避免溫度過高以防止不必要的結(jié)構(gòu)變化。”

獲得的數(shù)據(jù)正在幫助GE改進(jìn)生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)建模，以減少或消除印刷組件中的機(jī)械故障。例如該模型可以展示如何改變零件形狀，最大限度地減少生產(chǎn)過程中發(fā)生的內(nèi)應(yīng)力，并使零件更堅(jiān)固。它還可以指示改變激光束的寬度或激光行進(jìn)的速度，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

“SNAP光束線上的中子成像促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，因?yàn)槿澜缰挥猩贁?shù)中子設(shè)施可以達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，”加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家Anton Tremsin說，“X射線衍射測量可以監(jiān)測特定點(diǎn)的應(yīng)變松弛。但是，中子成像讓我們能夠同時(shí)、實(shí)時(shí)、以非常高的空間分辨率觀察整個塊狀材料。實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可以幫助我們開發(fā)新儀器和數(shù)據(jù)分析，并為將來的無損檢測技術(shù)方法做準(zhǔn)備。”

該團(tuán)隊(duì)在真空爐中將每個3D打印部件在700℃或875℃的溫度環(huán)境下退火數(shù)小時(shí)。隨著內(nèi)應(yīng)變的減輕，中子很容易穿透真空爐壁并對零件主體部分進(jìn)行成像。在較低溫度下，1-1.5小時(shí)內(nèi)應(yīng)力才能消除，而在較高溫度下只需幾分鐘。

ORNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束線的首席儀器科學(xué)家Ke An表示，內(nèi)應(yīng)變的數(shù)量和分布與生產(chǎn)過程中的激光束速度、激光功率和其他參數(shù)有關(guān)，ORNL高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)的首席成像光束線科學(xué)家Hassina Bilheux談到：“這項(xiàng)研究展示了工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和實(shí)驗(yàn)室如何合作應(yīng)對現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)?！監(jiān)RNL是美國唯一一家能夠?yàn)槿蛑凶佑脩羯鐓^(qū)提供互補(bǔ)衍射和中子成像技術(shù)的設(shè)施。提供高速數(shù)據(jù)采集和分析專業(yè)知識。

Bilheux補(bǔ)充說，SNS目前正在建設(shè)的金星成像光束線將具有更廣泛的中子能量，供用戶使用。用戶實(shí)驗(yàn)還將受益于升級后的SNS直線加速器更強(qiáng)大的2.0兆瓦質(zhì)子功率。“VENUS將增強(qiáng)對在高溫和壓力等極端條件下運(yùn)行和暴露于極端條件下的設(shè)備的結(jié)構(gòu)和機(jī)械行為的成像。用戶還將利用獨(dú)特的脈沖源中子成像技術(shù)，更好地了解更廣泛的材料、制造和生產(chǎn)過程?！?/p>

“在GE，我們對來自這些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及在ORNL使用中子設(shè)施是多么容易感到非常滿意，”Makinde說，“所有必要的設(shè)備都已經(jīng)在光束線上安裝和校準(zhǔn)，因此，我們不必?cái)y帶自己的真空爐。SNAP光束線上的爐子保持受控溫度，數(shù)據(jù)采集非常同步且及時(shí)?！?/p>

當(dāng)前，GE的科學(xué)家們正在使用這些數(shù)據(jù)開發(fā)改進(jìn)計(jì)算機(jī)模型，以幫助預(yù)測3D打印部件是否以及在何處可能開裂。然后，他們可以確定減少內(nèi)應(yīng)力和優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于防止此類缺陷的再次發(fā)生。