減少製造部件的內(nei) 部應變是製造後熱處理(如退火)普遍存在的原因。

材料在製造過程中所經曆的熱、壓力和力，例如成型、鑄造和成型，會(hui) 導致製造出來的金屬零件內(nei) 部不一致。這些不一致性包括變形和不均勻的微觀結構，或“應變”，這可能導致零件開裂和失效。

通用電氣正在使用中子實驗來開發改進的計算機模型，以幫助預測3D打印部件是否以及在哪裏可能會(hui) 破裂。Oak Ridge National Laboratory

減少製造部件的內(nei) 部應變是製造後熱處理(如退火)普遍存在的原因。退火是指將製造的零件加熱到高溫，以減少或消除內(nei) 應力。

通用電氣全球研究院和加州大學伯克利分校的科學家們(men) 正致力於(yu) 改進生產(chan) 模型，以幫助更好地設計和熱處理零件。在最近的一項研究中，他們(men) 將重點放在了使用增材製造技術(AM)製造的部件上，這種技術是一層一層地製造3D部件，或稱“打印”。在美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的中子實驗中，他們(men) 分析了與(yu) AM過程相關(guan) 的內(nei) 應力形成。研究結果題為(wei) “通過原位中子成像監測添加劑製造的Inconel 625的殘餘(yu) 應變弛豫和優(you) 選晶粒取向”，發表在增材製造雜誌上。

三坐標測量機對一組具有相同工藝參數的樣品進行失真測量，顯示零件之間的變異性。顏色條表示以毫米為(wei) 單位的位移。

這項研究涉及到使用基於(yu) 激光的AM製造的零件，它使用激光熔化和沉積一種結構材料。熔化的材料——通常以粉末狀金屬或塑料開始——迅速冷卻和硬化，然後再在上麵沉積另一層。

基於(yu) 激光的AM也會(hui) 由於(yu) 構建過程中的快速加熱和冷卻而引起內(nei) 部應變。退火可以減少內(nei) 應力，但過多的熱量會(hui) 導致材料中不必要的結構變化。

利用ORNL的VULCAN光束線上的中子衍射，研究人員測量了Inconel 625(一種常見的金屬合金)建成樣品內(nei) 部的高內(nei) 部殘餘(yu) 應變。另一種補充技術，中子成像，隨後在ORNL的SNAP束流線上被用於(yu) 實時測量——如何退火零件減少內(nei) 應力。初步標定實驗是在日本質子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束線上進行的。

(a)未平均的仿真結果和(b)經過零件厚度平均後的仿真結果的比較。

“當使用激光調幅時，被熔化的表層非常熱，而下層已經冷卻。這種溫度變化會(hui) 產(chan) 生內(nei) 部應力，導致開裂。”通用電氣全球研究的首席工程師Ade Makinde說，“中子幫助我們(men) 在退火過程中通過爐壁實時觀察。我們(men) 觀察在加熱過程中，材料中的應力在哪裏減少，在什麽(me) 溫度下減少。這是一種平衡。我們(men) 需要加熱材料以減少應力，但避免溫度過高，以防止不必要的結構變化。”

獲得的數據有助於(yu) 通用電氣改進其生產(chan) 過程的計算機建模，以減少或消除打印部件的機械故障。例如，該模型可以展示如何通過改變零件的形狀，將生產(chan) 過程中發生的內(nei) 應力降至最低，從(cong) 而使零件變得更堅固。它還可以表明，改變激光束的寬度或激光傳(chuan) 播的速度是否可以提高生產(chan) 質量。

加州大學伯克利分校的物理學家Anton Tremsin說:“SNAP光束線的中子成像促進了實驗，因為(wei) 全世界隻有少數幾個(ge) 中子設備能做到。是的，x射線衍射測量可以監測特定點的應變弛豫。然而，中子成像可以讓我們(men) 以非常高的空間分辨率同時、實時地觀察整個(ge) 大塊材料。這些數據將幫助我們(men) 開發新型無損檢測技術的儀(yi) 器和數據分析方法。”

試樣2-2的應變圖在SNAP光束線上測量。(a)升溫過程從(cong) 室溫到680℃。在2 h的時間內(nei) 對室溫圖像進行積分，在10 min的積分時間內(nei) 獲得所有高溫圖像，以匹配退火過程的時間尺度。溫度是加熱過程中的平均值。討論中使用了指定為(wei) 區域1和2的矩形;(b) 700°C退火40min的應變圖，(C) 875°C退火40min的應變圖。所有圖像的整合時間超過10分鍾。每個(ge) 圖像的時間戳是參考退火的開始。

研究小組在1300華氏度或1600華氏度(700攝氏度或875攝氏度)的真空爐中對每個(ge) 3D打印部件進行了數小時的退火，中子很容易穿透真空爐壁，並在內(nei) 部應變緩解時對整個(ge) 體(ti) 件進行成像。在較低的溫度下，壓力釋放可以在1.0到1.5小時內(nei) 完成，而在較高的溫度下，隻需要幾分鍾。

“在生產(chan) 過程中，內(nei) 部應變的數量和分布與(yu) 激光束速度、激光功率和其他參數有關(guan) ，”ORNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束線的首席儀(yi) 器科學家Ke An說。實驗數據是無價(jia) 的，以及更好地理解如何在不降低結構完整性的情況下更快地退火零件。這意味著通用電氣和其他行業(ye) 研究夥(huo) 伴現在可以有信心預測如何改進他們(men) 的產(chan) 品設計和生產(chan) 流程。”

1區應變分布隨時間和溫度的直方圖0被定義(yi) 為(wei) 退火的開始。該插圖使用彩色編碼的實心圓來表示采集直方圖數據時的溫度。

“這項研究表明，工業(ye) 界、學術界和能源部實驗室可以如何在現實世界的挑戰中合作，”ORNL高通量同位素反應堆(HFIR)成像光束的首席科學家Hassina Bilheux說。“ORNL是美國唯一有能力為(wei) 全球中子用戶社區提供互補衍射和中子成像技術的設施。我們(men) 還提供高速數據采集和分析專(zhuan) 業(ye) 知識。”

Bilheux補充說，目前正在SNS建設的金星成像光束將具有更廣泛的中子能量供用戶使用。用戶實驗也將受益於(yu) 升級後的SNS直線加速器更強烈的、2.0兆瓦的質子功率。“VENUS將能夠增強設備在高溫和高壓等極端條件下的結構和機械行為(wei) 的成像。用戶還將利用獨特的脈衝(chong) 源中子成像技術，更好地理解更廣泛的材料、製造和生產(chan) 過程。”

“在通用電氣，我們(men) 對這些實驗的數據和ORNL的中子設施的使用是多麽(me) 容易感到非常高興(xing) ，”Makinde說。“所有必要的設備都已經在光束線上安裝和校準，所以，舉(ju) 例來說，我們(men) 不需要帶自己的真空爐。SNAP光束線上的熔爐保持著可控的溫度，一切都是同步的，以確保準確的數據采集。”

通用電氣的科學家們(men) 正在利用這些數據開發改進的計算機模型，以幫助預測3D打印部件是否以及在哪裏可能會(hui) 破裂。然後，他們(men) 可以確定如何減少內(nei) 應力和優(you) 化設計，以幫助防止此類缺陷。

來源：Monitoring residual strain relaxation and preferred grainorientation of additively manufactured Inconel 625 by in-situ neutron imaging,Additive Manufacturing (2021). DOI: 10.1016/j.addma.2021.102130