材料在製造過程中（例如成型、鑄造和成型）所經曆的熱量、壓力可能會(hui) 導致金屬零件內(nei) 部出現不一致的情況出現，通常包括變形和不均勻的微觀結構或“應變”，從(cong) 而導致零件開裂和失效。

減少製造零件的內(nei) 部應變是常見的後期熱處理（例如退火）的原因。退火工藝是將製造的零件加熱到高溫以減少或減輕內(nei) 部應力。GE全球研究中心和加州大學伯克利分校的科學家們(men) 正在努力改進生產(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) 專(zhuan) 注使用增材製造技術，生產(chan) 的零件通過逐層“打印”形成。他們(men) 在美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的中子實驗中分析了與(yu) 增材製造過程相關(guan) 的內(nei) 應力形成。最後，研究團隊將成果以“通過原位中子成像監測增材製造的Inconel 625的殘餘(yu) 應變鬆弛和優(you) 選晶粒取向”論文發表在Additive Manufacturing上。

GE 正在使用中子實驗開發改進的計算機模型，幫助預測3D 打印零件內(nei) 部是否有缺陷
（來源：橡樹嶺國家實驗室）

該研究涉及使用基於(yu) 激光的增材製造製造零件，該工藝具體(ti) 采用激光熔化和沉積結構材料。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。由於(yu) 在構建過程中快速加熱和冷卻，激光增材製造工藝會(hui) 導致零件內(nei) 部生成應變。退火可以減少內(nei) 應力，但過多的熱量會(hui) 導致材料發生不必要的結構變化。

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(nei) 部的內(nei) 部殘餘(yu) 應變。然後，研究人員又在SNAP光束線上使用了一種補充技術即中子成像，以實時測量零件退火過程中內(nei) 應力的下降變化。初始校準實驗在日本質子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束線上進行。

“當使用激光增材製造時，被熔化的頂層非常熱而下層已經冷卻。這種溫度變化容易讓零件內(nei) 部產(chan) 生導致開裂的內(nei) 應力，”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(men) 實現了實時觀察。我們(men) 觀察了加熱過程中材料的應力降低的位置以及對應的溫度值。我們(men) 需要加熱材料以降低應力，但要避免溫度過高以防止不必要的結構變化。”

獲得的數據正在幫助GE改進生產(chan) 過程的計算機建模，以減少或消除印刷組件中的機械故障。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(chan) 過程中發生的內(nei) 應力，並使零件更堅固。它還可以指示改變激光束的寬度或激光行進的速度，提高生產(chan) 質量。

“SNAP光束線上的中子成像促進了實驗進程，因為(wei) 全世界隻有少數中子設施可以達成實驗目的，”加州大學伯克利分校物理學家Anton Tremsin說，“X射線衍射測量可以監測特定點的應變鬆弛。但是，中子成像讓我們(men) 能夠同時、實時、以非常高的空間分辨率觀察整個(ge) 塊狀材料。實驗得到的數據，可以幫助我們(men) 開發新儀(yi) 器和數據分析，並為(wei) 將來的無損檢測技術方法做準備。”

該團隊在真空爐中將每個(ge) 3D打印部件在700℃或875℃的溫度環境下退火數小時。隨著內(nei) 應變的減輕，中子很容易穿透真空爐壁並對零件主體(ti) 部分進行成像。在較低溫度下，1-1.5小時內(nei) 應力才能消除，而在較高溫度下隻需幾分鍾。

ORNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束線的首席儀(yi) 器科學家Ke An表示，內(nei) 應變的數量和分布與(yu) 生產(chan) 過程中的激光束速度、激光功率和其他參數有關(guan) ，ORNL高通量同位素反應堆(HFIR)的首席成像光束線科學家Hassina Bilheux談到：“這項研究展示了工業(ye) 界、學術界和實驗室如何合作應對現實世界的挑戰。”ORNL是美國唯一一家能夠為(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。提供高速數據采集和分析專(zhuan) 業(ye) 知識。

Bilheux補充說，SNS目前正在建設的金星成像光束線將具有更廣泛的中子能量，供用戶使用。用戶實驗還將受益於(yu) 升級後的SNS直線加速器更強大的2.0兆瓦質子功率。“VENUS將增強對在高溫和壓力等極端條件下運行和暴露於(yu) 極端條件下的設備的結構和機械行為(wei) 的成像。用戶還將利用獨特的脈衝(chong) 源中子成像技術，更好地了解更廣泛的材料、製造和生產(chan) 過程。”

“在GE，我們(men) 對來自這些實驗的數據以及在ORNL使用中子設施是多麽(me) 容易感到非常滿意，”Makinde說，“所有必要的設備都已經在光束線上安裝和校準，因此，我們(men) 不必攜帶自己的真空爐。SNAP光束線上的爐子保持受控溫度，數據采集非常同步且及時。”

當前，GE的科學家們(men) 正在使用這些數據開發改進計算機模型，以幫助預測3D打印部件是否以及在何處可能開裂。然後，他們(men) 可以確定減少內(nei) 應力和優(you) 化設計，有助於(yu) 防止此類缺陷的再次發生。