導讀：

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，它優(yōu)勢明顯。如減少了材料浪費，節(jié)省了勞動時間，簡化了復雜幾何零件的制造工序。但是它并非完美，也存在一些缺陷。正視缺陷，不斷優(yōu)化，才能進一步提升其結(jié)構(gòu)性能！

制造過程中可能會出現(xiàn)眾多小缺陷或者誤差(小到10-50微米)，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性和持續(xù)性形成了挑戰(zhàn)。但大家對這些缺陷的影響還比較陌生。也尚未重視。此外，在認證和標準占主導的領(lǐng)域，由于缺乏處理數(shù)據(jù)和標準協(xié)議，很難對他們進行準確歸類。

▲約翰·霍普金斯應用物理實驗室 （Johns Hopkins Applied Physics Laboratory —APL) 來源：官網(wǎng)

馬里蘭州勞雷爾的約翰·霍普金斯應用物理實驗室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory—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。最近發(fā)表在《Journal of Materials Processing Technology》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化制造的Ti-6Al-4V合金的拉伸行為的耦合影響”（文章Uncovering the coupled impact of defect morphology and microstructure on the tensile behavior of Ti-6Al-4V fabricated via laser powder bed fusion）中，提供了相應數(shù)據(jù)來幫助我們理解這些缺陷的影響并助力我們進行決策。

目前，制造AM的方法之一是選擇性激光熔化，這是一種利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AM制造技術(shù)，但由于存在小缺陷，其潛力有待進一步挖掘，”該文作者、APL研究和探索發(fā)展部(REDD)的機械工程師Steven Storck說，“問題在于打印過程中有時會形成微小的氣泡或孔隙，這些孔隙會給制造出來的成品帶來某區(qū)域強度的不確定性，也會影響其性能?！?所謂的缺陷就是指未熔合和匙孔。前者發(fā)生在沒有足夠的能量完全熔化金屬粉末床時；后者則是由于過高的能量在熔融粉末床中形成流體動力不穩(wěn)定性時。當能量密度偏離最佳水平，缺陷就會變多、變大。

Storck與研究與探索發(fā)展部的合著者Timothy Montalbano、Salahudin Nimer、Christopher Peitsch、Joe Sopcisak和Doug Trigg等人以及來自海軍空戰(zhàn)中心飛機分部的Brandi Briggs和Jay Waterman在研究時曾有意將這兩種缺陷引入樣本，以確定它們對零件機械性能的具體影響。

結(jié)果表明，雖然每種類型的缺陷多次出現(xiàn)會帶來不利影響，但在匙孔中(在相似的缺陷密度下)比在缺乏熔融的影響要小。該團隊還發(fā)現(xiàn)，匙孔缺陷周圍的微結(jié)構(gòu)細化可以抵消缺陷的弱化效應。即使是在高達4-5%的孔隙率的區(qū)域，也能產(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)計零件的目標指標。

▲通過選擇性激光熔化的方式在工件表面刻上“APL”標志（圖片來源：Johns Hopkins APL/Ed Whitman）

Storck解釋說：“我們修改了激光加工條件，以模擬加工過程中的自然缺陷，并在鎖孔和缺乏熔融的地方模擬了三個相似數(shù)量的缺陷，然后我們使用X射線計算機斷層掃描技術(shù)對每個加工條件下的材料進行掃描和量化，以了解缺陷尺寸和繪制缺陷分布圖，并在單向拉伸測試中對包含這些缺陷的樣品進行比較，以確定給定缺陷數(shù)量的首選缺陷域?！?/p>

這項研究是APL與美國海軍航空系統(tǒng)司令部正在進行的研究中的一部分，旨在了解AM制造缺陷的影響。Storck說:“我們目前的研究正在利用這一發(fā)現(xiàn)，結(jié)合機器學習，重寫我們用激光熔化處理材料的方法。

管理REDD極端和多功能材料科學項目的Morgan Trexler補充道：“這項工作為將來認證AM零件奠定了基礎(chǔ)。就加工條件對材料和部件的最終微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響形成正確認知，能夠為安全實施增材制造零件協(xié)議提供科學依據(jù)。”

來源：Timothy Montalbano et al, Uncovering the coupled impact of defect morphology and microstructure on the tensile behavior of Ti-6Al-4V fabricated via laser powder bed fusion, Journal of Materials Processing Technology (2021). DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117113