得州农工大学调整合金微化学 以实现完美的金属3D打印

在过去的几十年里，金属3D打印技术在制造复杂形状和高功能的定制零件方面一直处于领先地位。随着添加剂制造商将更多的合金添加到3D打印过程中，制造均匀和无缺陷的零件也是一个挑战。

(来源:德克萨斯A&M大学)

据国外媒体报道，德州农工大学(Texas A & ampm大学)，进一步完善利用激光粉末床融合3D打印技术制造高质量金属零件的工艺。通过将机器学习与单轨3D打印实验相结合，已经确定了有利的合金化学和工艺参数，如激光速度和功率，以在微观尺度上打印出性能均匀的零件。

材料科学与工程系的博士生Raiyan Seede说:“最初的挑战是如何确保打印出来的零件没有气孔。这是制造具有更高机械性能的物体的重要因素。在之前的工作中，我们已经解决了这个挑战。在这项研究中，我们深入研究了如何微调合金的微观结构，以便更好地控制最终打印对象的性能，达到比以前更精细的尺度。”

与其他3D打印方法一样，激光粉末床融合也可以逐层构建3D金属零件。在这个过程中，首先在基底上铺一层薄薄的金属粉末，然后用激光束沿着设计用来跟踪目标部件横截面的轨迹熔化粉末。然后再涂上一层粉末，重复这个过程，逐渐形成最终的零件。添加制造中使用的合金金属粉末相当多样，包括不同浓度的镍、铝和镁的金属混合物。在印刷过程中，这些粉末被激光束加热，然后迅速冷却。因为合金粉中的各种金属具有非常不同的冷却特性，所以它们会以不同的速度凝固。这种不匹配会产生一种叫做显微偏析的微观缺陷。

Seede说:“当合金粉末冷却时，会有单一金属析出。想象把盐倒入水中。盐量少的时候会立刻溶解；当你加入更多的盐时，多余的盐颗粒无法溶解，开始以晶体的形式沉淀。本质上，这发生在我们的金属合金在印刷后迅速冷却的时候。“这些缺陷看起来像小口袋，其中的金属成分浓度与打印零件的其他区域略有不同。这些不一致将影响印刷物体的机械性能。

为了纠正这种微观缺陷，研究小组研究了含有镍和另一种金属成分的四种合金的凝固过程，特别是当镍基合金中其他金属的浓度增加时，每种合金在不同温度下的物理状态或相。通过特定的相图，研究人员可以确定合金的化学成分，从而最大限度地减少增材制造过程中的显微偏析。

接下来，研究人员针对不同的激光设置熔化单轨合金金属粉末，并确定了可以生产无孔零件的工艺参数。然后，将从相图中收集的信息与从单轨实验中收集的信息相结合，以获得激光设置和镍合金成分的综合视图，从而生产出没有显微偏析的无孔印刷部件。

最后，研究人员进一步训练机器学习模型，以识别单轨实验数据和相图模式，并开发适用于任何其他合金的微观偏析方程。据Seede称，该方程旨在根据凝固范围、材料特性、激光功率和速度来预测偏析程度。材料科学与工程系负责人易卜拉欣·卡拉曼(Ibrahim Karaman)表示:“我们的方法有助于在增材制造过程中成功使用不同成分的合金，而不用担心引入缺陷，即使是在微观尺度上。这项工作将对航空航天、汽车和国防行业大有裨益，这些行业一直在寻找更好的方法来制造定制的金属零件。”

研究人员表示，过去主要通过昂贵且耗时的实验来优化加工条件。现在，这种方法的独特之处就在于它的简单，便于工业界用所选的合金制造出坚固无缺陷的零件。在过去的几十年里，金属3D打印技术在制造复杂形状和高功能的定制零件方面一直处于领先地位。随着添加剂制造商将更多的合金添加到3D打印过程中，制造均匀和无缺陷的零件也是一个挑战。

(来源:德克萨斯A&M大学)

据国外媒体报道，德州农工大学(Texas A & ampm大学)，进一步完善利用激光粉末床融合3D打印技术制造高质量金属零件的工艺。通过将机器学习与单轨3D打印实验相结合，已经确定了有利的合金化学和工艺参数，如激光速度和功率，以在微观尺度上打印出性能均匀的零件。

材料科学与工程系的博士生Raiyan Seede说:“最初的挑战是如何确保打印出来的零件没有气孔。这是制造具有更高机械性能的物体的重要因素。在之前的工作中，我们已经解决了这个挑战。在这项研究中，我们深入研究了如何微调合金的微观结构，以便更好地控制最终打印对象的性能，达到比以前更精细的尺度。”

与其他3D打印方法一样，激光粉末床融合也可以逐层构建3D金属零件。在这个过程中，首先在基底上铺一层薄薄的金属粉末，然后用激光束沿着设计用来跟踪目标部件横截面的轨迹熔化粉末。然后再涂上一层粉末，重复这个过程，逐渐形成最终的零件。添加制造中使用的合金金属粉末相当多样，包括不同浓度的镍、铝和镁的金属混合物。在印刷过程中，这些粉末被激光束加热，然后迅速冷却。因为合金粉中的各种金属具有非常不同的冷却特性，所以它们会以不同的速度凝固。这种不匹配会产生一种叫做显微偏析的微观缺陷。

Seede说:“当合金粉末冷却时，会有单一金属析出。想象把盐倒入水中。盐量少的时候会立刻溶解；当你加入更多的盐时，多余的盐颗粒无法溶解，开始以晶体的形式沉淀。本质上，这发生在我们的金属合金在印刷后迅速冷却的时候。“这些缺陷看起来像小口袋，其中的金属成分浓度与打印零件的其他区域略有不同。这些不一致将影响印刷物体的机械性能。

为了纠正这种微观缺陷，研究小组研究了含有镍和另一种金属成分的四种合金的凝固过程，特别是当镍基合金中其他金属的浓度增加时，每种合金在不同温度下的物理状态或相。通过特定的相图，研究人员可以确定合金的化学成分，从而最大限度地减少增材制造过程中的显微偏析。

接下来，研究人员针对不同的激光设置熔化单轨合金金属粉末，并确定了可以生产无孔零件的工艺参数。然后，将从相图中收集的信息与从单轨实验中收集的信息相结合，以获得激光设置和镍合金成分的综合视图，从而生产出没有显微偏析的无孔印刷部件。

最后，研究人员进一步训练机器学习模型，以识别单轨实验数据和相图模式，并开发适用于任何其他合金的微观偏析方程。据Seede称，该方程旨在根据凝固范围、材料特性、激光功率和速度来预测偏析程度。材料科学与工程系负责人易卜拉欣·卡拉曼(Ibrahim Karaman)表示:“我们的方法有助于在增材制造过程中成功使用不同成分的合金，而不用担心引入缺陷，即使是在微观尺度上。这项工作将对航空航天、汽车和国防行业大有裨益，这些行业一直在寻找更好的方法来制造定制的金属零件。”

研究人员表示，过去主要通过昂贵且耗时的实验来优化加工条件。现在，这种方法的独特之处就在于它的简单，便于工业界用所选的合金制造出坚固无缺陷的零件。

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