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美國研究小組的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過使用金屬合金激光床粉熔合3D打印技術(shù)，可以打印出均勻、無缺陷的零件。
這些研究人員系統(tǒng)地研究了合金成分對顯微組織的印刷性和凝固性的影響，以更好地了解合金成分、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(shí)驗(yàn)，他們確定了優(yōu)化合金性能所需的合金化學(xué)和工藝參數(shù)，并在微尺度上打印出優(yōu)異的、相同的零件。利用機(jī)器學(xué)習(xí)，他們還創(chuàng)造了一個公式，可以用于任何類型的合金，以幫助防止零件成分出現(xiàn)分布不均勻的情況。
以往，用于增材制造的合金金屬粉末可能會含有不同濃度的金屬混合物，如鎳、鋁和鎂。而在激光床粉熔化3D打印中，這些粉末被激光束加熱后迅速冷卻。合金粉末中不同的金屬具有不同的冷卻性能和不同的凝固速度，這種不一致會產(chǎn)生微小的缺陷或微偏析(microsegregation)。
“當(dāng)合金粉末冷卻時(shí)，單獨(dú)的金屬會沉淀出來，”研究人員Raiyan Seede說。“想象一下把鹽倒進(jìn)水里。當(dāng)鹽的量很小的時(shí)候，它就會立刻溶解，但是當(dāng)你倒更多的鹽，多余的沒有溶解的鹽顆粒開始以晶體的形式沉淀出來。本質(zhì)上，這跟金屬合金在打印后迅速冷卻時(shí)所發(fā)生的事情一樣。”
Seede說，這種缺陷看起來像微小的“口袋”，里面含有的金屬成分濃度與打印部分的其他區(qū)域略有不同。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員一共對四種二元鎳基合金的凝固組織進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)中，他們研究了在不同溫度和鎳基合金中其他金屬濃度增加時(shí)每種合金的物理相。
利用詳細(xì)的相圖，研究人員確定了每一種合金的化學(xué)成分，這些成分在增材制造過程中會導(dǎo)致最小的微偏析。
接下來，研究人員在不同的激光設(shè)置下熔化合金金屬粉末的單一軌跡，并確定激光粉末床熔化工藝參數(shù)，以交付無孔隙的零件。
利用從相圖中獲得的信息結(jié)合單軌實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，團(tuán)隊(duì)獲得了激光設(shè)置和鎳基合金成分的全面分析，最終可以產(chǎn)生無孔隙、無微偏析的打印零件。
研究人員訓(xùn)練了機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以識別單軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相圖中的模式，從而開發(fā)出可以用于任何合金的微偏析方程。Seede說，設(shè)計(jì)這個方程是為了預(yù)測合金凝固范圍、材料性能以及激光功率和速度下的偏析程度。
他們深入研究了合金微觀結(jié)構(gòu)的微調(diào)，從而在比以前更精細(xì)的尺度上對最終打印對象的性能實(shí)現(xiàn)了更多的控制。
Ibrahim Karaman教授表示：“我們的方法簡化了不同成分的合金在增材制造中的成功使用，而不用擔(dān)心引入缺陷，即使是在微尺度上。”“這項(xiàng)工作將對航空航天、汽車和國防工業(yè)大有裨益，這些工業(yè)領(lǐng)域一直在尋找更好的方法來制造定制金屬部件。”
Raymundo Arroyavé教授和Alaa Elwany教授與Seede和Karaman合作進(jìn)行了這項(xiàng)研究。他們表示，工業(yè)領(lǐng)域可以很容易地采用這種方法，用他們選擇的合金來制造出堅(jiān)固、無缺陷的部件。
(原標(biāo)題：美研究團(tuán)隊(duì)基于激光床粉末熔化，3D打印出無缺陷的優(yōu)質(zhì)零部件)
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