現如今，隨著金屬增材製造技術的進步，將有望徹底改變部分零件的生產(chan) 方式。與(yu) 傳(chuan) 統製造工藝相比，金屬增材製造減少了材料浪費和勞動時間，並且簡化了創建複雜幾何零件的步驟。

然而，在金屬增材製造過程中會(hui) 出現數百個(ge) 非常小的缺陷，通常大小為(wei) ~10-50微米。由於(yu) 這些細微缺陷的存在，對產(chan) 品結構性能構成了挑戰。

■圖片來源：CC0 Public Domain

目前，關(guan) 於(yu) 這些缺陷對工程製造的具體(ti) 影響尚不明確；但是在認證和標準極高的領域中，由於(yu) 缺乏處理數據和標準協議製定，很難將這些存有細微缺陷的零件歸類為(wei) 良品還是廢品。

近期，位於(yu) 美國馬裏蘭(lan) 州勞雷爾的約翰霍普金斯應用物理實驗室（APL）的研究人員，正著手更好地了解不同缺陷對增材製造材料機械性能的影響。在最近發表的《材料加工技術》雜誌上，研究團隊以《揭示缺陷形態和微觀結構對通過激光粉末床熔融製造Ti-6Al-4V拉伸行為(wei) 的耦合影響》為(wei) 題，文中提供的數據幫助業(ye) 界理解缺陷的影響。

目前，製造金屬增材製造部件的一種方法是通過選擇性激光熔化（選區激光熔化，selective laser melting），這是一種使用激光能量熔化金屬粉末的過程。“激光粉末床熔融是一種占主導地位的增材製造技術，但尚未發揮出其全部潛力，”本文通訊作者、約翰霍普金斯應用物理實驗室研究與(yu) 探索發展部機械工程師Steven Storck表示，“問題是在3D打印過程中有時會(hui) 形成非常微小的氣泡或氣孔，這些缺陷會(hui) 導致成品強度降低以及其他一些不確定性。”

經過研究發現，加工缺陷主要有兩(liang) 種自然形態：未熔融和鎖孔。前者發生在沒有足夠能量完全熔化金屬粉末時；後者是當過高的能量密度在熔融粉末床中形成流體(ti) 動力學不穩定性時，就會(hui) 生成小孔缺陷。隨著能量密度偏離最佳水平時，缺陷的數量和大小都會(hui) 增加。

■通過選擇性激光熔化的方式在工件表麵刻上“APL”標誌（圖片來源：Johns Hopkins APL/Ed Whitman）

Steven Storck與(yu) 研究與(yu) 探索發展部的合著者Timothy Montalbano、Salahudin Nimer、Christopher Peitsch、Joe Sopcisak和Doug Trigg以及來自海軍(jun) 空戰中心飛機分部的 Brandi Briggs和Jay Waterman，在研究過程中特意將這兩(liang) 類缺陷引入樣品，以確定它們(men) 如何影響零件的機械性能。

結果表明，每種類型的缺陷如果有大量出現時都不容忽視。但與(yu) 缺少熔融相比，零件出現的鎖孔區域似乎不那麽(me) 緊要。研究團隊還發現，鎖孔缺陷周圍的微觀結構細化可以抵消缺陷的弱化效應。即使在高達4-5%孔隙率的鎖孔區域部分，也能達到與(yu) 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指標。

“我們(men) 修改了激光加工條件以模擬過程中的自然故障，並在鎖孔區域和未熔融區域產(chan) 生了三個(ge) 相似數量的缺陷，”Steven Storck解釋說，“然後使用X射線計算機斷層掃描和量化每個(ge) 工件材料，以繪製缺陷尺寸和具體(ti) 位置。最後，在單向拉伸測試中比較包含這些缺陷的樣品，確定給定數量缺陷的首選缺陷區域。”

這項研究成果是約翰霍普金斯應用物理實驗室為(wei) 未來認證金屬增材製造零件邁出的重要一步。當前，研究團隊正在使用這一發現與(yu) 機器人學習(xi) 相結合來，重新構建用激光熔化處理金屬材料的工藝。

“這項工作是未來對AM部件進行認證奠定基礎的關(guan) 鍵一步，”其中的一位研究者Morgan Trexler表示，“對加工條件產(chan) 生的微觀結構和性能影響的理解，將為(wei) 製定增材製造零件的標準提供了科學基礎。”