金屬增材制造 (AM) 有望徹底改變我們生產(chǎn)和使用某些零件的方式。與傳統(tǒng)制造方法相比，金屬增材制造減少了材料浪費和勞動時間，簡化了創(chuàng)建復(fù)雜幾何零件的步驟。

然而，在此過程中可能會出現(xiàn)數(shù)百個非常小的缺陷(~10-50 微米)，這對保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的信心構(gòu)成了挑戰(zhàn)。這些缺陷的工程影響尚不清楚;而且，在認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)至高無上的領(lǐng)域中，由于缺乏處理數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，很難部署這些部分。

位于馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室 (APL) 的研究人員著手更好地了解不同缺陷對 AM 材料機械性能的影響。在最近發(fā)表在材料加工技術(shù)雜志上的“揭示缺陷形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)對通過激光粉末床熔合制造的 Ti-6Al-4V 拉伸行為的耦合影響”中，他們提供了數(shù)據(jù)以幫助理解缺陷和微觀結(jié)構(gòu)的影響。使決策成為可能。

制造金屬 AM 部件的一種方法是選擇性激光熔化，這是一種使用激光能量熔化和熔化金屬粉末的過程。“激光粉末床融合是一種占主導(dǎo)地位的增材制造技術(shù)，但尚未發(fā)揮其潛力，”通訊作者、APL 研究與探索發(fā)展部 (REDD)的機械工程師Steven Storck 說。“問題是在印刷過程中有時會形成微小的氣泡或氣孔，這些氣孔會給成品的強度或性能帶來不確定性。”

加工缺陷有兩種自然類型：未熔合和鎖孔。前者發(fā)生在沒有足夠的能量完全熔化金屬粉末床時;當(dāng)過高的能量密度在熔融粉末床中形成流體動力學(xué)不穩(wěn)定性時，就會發(fā)生小孔缺陷。隨著能量密度偏離最佳水平以上或以下，缺陷的數(shù)量和大小會增加。

Storck 與 REDD 的合著者 Timothy Montalbano、Salahudin Nimer、Christopher Peitsch、Joe Sopcisak 和 Doug Trigg 以及來自海軍空戰(zhàn)中心飛機分部的 Brandi Briggs 和 Jay Waterman 特意將這兩種類型的缺陷引入樣品中，以確定它們?nèi)绾斡绊懥慵臋C械性能。

結(jié)果表明，雖然每種類型的大量缺陷都是不利的，但與缺乏融合域相比，在鎖孔域中(缺陷濃度相似)更有利。該團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，鎖孔缺陷周圍的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化可以抵消缺陷的弱化效應(yīng)。即使在小孔域中高達(dá) 4-5% 的孔隙率也會產(chǎn)生與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(shè)計零件的目標(biāo)指標(biāo)。

“我們修改了激光加工條件以模擬過程中的自然故障，并在鎖孔和缺乏融合域中產(chǎn)生了三個相似數(shù)量的缺陷，”斯托克解釋說。“然后，我們使用 X 射線計算機斷層掃描掃描和量化來自每個加工條件的材料，以繪制缺陷尺寸和分布圖，并在單調(diào)張力測試中比較包含這些結(jié)果缺陷的樣品，以確定給定數(shù)量缺陷的首選缺陷域。 ”

這項研究是 APL 與海軍航空系統(tǒng)司令部持續(xù)努力的一部分，旨在了解增材制造中缺陷的影響。“我們目前的研究現(xiàn)在正在使用這一發(fā)現(xiàn)與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合來重寫我們用激光熔化處理材料的方式，”斯托克說。

“這項工作是為未來對 AM 部件進(jìn)行認(rèn)證奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵一步，”管理 REDD 極端和多功能材料科學(xué)項目的 Morgan Trexler 補充道。“對加工條件的影響對材料和部件所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響的一般理解將為實現(xiàn)增材制造零件的安全實施協(xié)議提供科學(xué)基礎(chǔ)。”