德克薩斯A&M大學研究人員開發的一種新方法優(you) 化了合金性能和工藝參數，以製造出優(you) 質的無缺陷3D打印金屬零件，從(cong) 而推動其在增材製造、航空航天、汽車和國防等領域的廣泛應用。

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

研究人員係統地研究了合金成分對微結構的印刷適性和凝固性的影響，以更好地理解合金成分、工藝變量和熱力學如何影響增材製造的零件。通過3D打印實驗，他們(men) 定義(yi) 了優(you) 化合金性能所需的合金化學成分和工藝參數，並在微型尺度上打印出優(you) 質、相同的零件。利用機器學習(xi) (Machine Learning, ML)，他們(men) 創建了一個(ge) 公式，可以用於(yu) 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

用於(yu) 增材製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後會(hui) 迅速冷卻。合金粉末中的不同金屬具有不同的冷卻性能，並且以不同的速率凝固。這種不一致會(hui) 產(chan) 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(ge) 別金屬會(hui) 沉澱出來。我們(men) 可以想象一下把鹽倒在水裏的情況。當鹽的量很少時，它會(hui) 立即溶解，但是當你倒入更多的鹽時，沒有溶解的多餘(yu) 鹽顆粒則開始以晶體(ti) 的形式沉澱出來。這就相當於(yu) 我們(men) 的金屬合金在印刷後迅速冷卻時發生的情況，兩(liang) 者並無不同。”我們(men) 可以把沉澱帶來的缺陷想象成小口袋，在這個(ge) 口袋裏的金屬成分濃度與(yu) 印刷部分的其他區域略有不同。

L-PBF工藝參數圖（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(wei) 是熔池寬度/深度（表示為(wei) W/D）≤ 1.2，鎳-5at% 鋯和鎳-8.8at% 鋯的W/D≤ 1.5。對於(yu) 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)將成球區域擬合到單軌道實驗數據。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構。在實驗中，他們(men) 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成分，這種成分在增材製造過程中會(hui) 導致最少的微觀偏析。

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

鎳鋅合金單次激光掃描橫截麵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構的較輕相。在熔池結構中也可以觀察到孔隙。

這些信息為(wei) 團隊提供了激光設置和鎳基合金成分的綜合分析，從(cong) 而可以產(chan) 生沒有顯微偏析的、無孔隙印刷零件。研究人員接下來會(hui) 訓練機器學習(xi) 模型來識別單線實驗數據和相圖中的模式，以開發一個(ge) 可用於(yu) 任何合金的微觀偏析方程。

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

中間欄：從(cong) 每個(ge) 熔池頂部拍攝的WDS圖

右側(ce) 欄：從(cong) 每個(ge) 熔池邊緣拍攝的圖，在光學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分的邊界

考慮到合金的凝固範圍、材料特性以及激光的功率和速度，Seede等人設計的該方程旨在預測偏析程度。“我們(men) 深入研究合金的微調微觀結構，以便更精細地對最終印刷物體(ti) 的性能進行管理和控製。”

應用前景

隨著合金在增材製造中的使用增加，印刷符合或超過製造質量標準的零件的挑戰也將增加。該研究將使製造商能夠優(you) 化合金化學和工藝參數，以便合金可以專(zhuan) 門設計用於(yu) 增材製造，製造商們(men) 自己就可直接控製微觀結構。

Ibrahim Karaman教授說：“我們(men) 的方法使不同成分的合金在增材製造中的成功應用變得更容易、更觸手可及，與(yu) 此同時不用擔心任何缺陷（即使是在微型尺度上）的形成。“

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

來源：Photonics官網，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