材料在制造過(guò)程中(例如成型、鑄造和成型)所經(jīng)歷的熱量、壓力可能會(huì)導(dǎo)致金屬零件內(nèi)部出現(xiàn)不一致的情況出現(xiàn),通常包括變形和不均勻的微觀結(jié)構(gòu)或“應(yīng)變”,從而導(dǎo)致零件開(kāi)裂和失效。
減少制造零件的內(nèi)部應(yīng)變是常見(jiàn)的后期熱處理(例如退火)的原因。退火工藝是將制造的零件加熱到高溫以減少或減輕內(nèi)部應(yīng)力。GE全球研究中心和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們正在努力改進(jìn)生產(chǎn)模型,以幫助更好地設(shè)計(jì)和熱處理零件。
在最近的一項(xiàng)研究中,他們專注使用增材制造技術(shù),生產(chǎn)的零件通過(guò)逐層“打印”形成。他們?cè)诿绹?guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的中子實(shí)驗(yàn)中分析了與增材制造過(guò)程相關(guān)的內(nèi)應(yīng)力形成。最后,研究團(tuán)隊(duì)將成果以“通過(guò)原位中子成像監(jiān)測(cè)增材制造的Inconel 625的殘余應(yīng)變松弛和優(yōu)選晶粒取向”論文發(fā)表在Additive Manufacturing上。
GE 正在使用中子實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型,幫助預(yù)測(cè)3D 打印零件內(nèi)部是否有缺陷
(來(lái)源:橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)
該研究涉及使用基于激光的增材制造制造零件,該工藝具體采用激光熔化和沉積結(jié)構(gòu)材料。熔化的材料(通常以粉末金屬或塑料開(kāi)始)在另一層沉積在其頂部之前快速冷卻和硬化。由于在構(gòu)建過(guò)程中快速加熱和冷卻,激光增材制造工藝會(huì)導(dǎo)致零件內(nèi)部生成應(yīng)變。退火可以減少內(nèi)應(yīng)力,但過(guò)多的熱量會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生不必要的結(jié)構(gòu)變化。
在ORNL的VULCAN光束線上使用中子衍射,研究人員測(cè)量了Inconel 625(一種常見(jiàn)金屬合金)的竣工樣品內(nèi)部的內(nèi)部殘余應(yīng)變。然后,研究人員又在SNAP光束線上使用了一種補(bǔ)充技術(shù)即中子成像,以實(shí)時(shí)測(cè)量零件退火過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力的下降變化。初始校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)在日本質(zhì)子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束線上進(jìn)行。
“當(dāng)使用激光增材制造時(shí),被熔化的頂層非常熱而下層已經(jīng)冷卻。這種溫度變化容易讓零件內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)致開(kāi)裂的內(nèi)應(yīng)力,”GE全球研究部的首席工程師Ade Makinde說(shuō),“在退火過(guò)程中,中子幫助我們實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觀察。我們觀察了加熱過(guò)程中材料的應(yīng)力降低的位置以及對(duì)應(yīng)的溫度值。我們需要加熱材料以降低應(yīng)力,但要避免溫度過(guò)高以防止不必要的結(jié)構(gòu)變化?!?/p>
獲得的數(shù)據(jù)正在幫助GE改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)建模,以減少或消除印刷組件中的機(jī)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(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的內(nèi)應(yīng)力,并使零件更堅(jiān)固。它還可以指示改變激光束的寬度或激光行進(jìn)的速度,提高生產(chǎn)質(zhì)量。
“SNAP光束線上的中子成像促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,因?yàn)槿澜缰挥猩贁?shù)中子設(shè)施可以達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康模奔又荽髮W(xué)伯克利分校物理學(xué)家Anton Tremsin說(shuō),“X射線衍射測(cè)量可以監(jiān)測(cè)特定點(diǎn)的應(yīng)變松弛。但是,中子成像讓我們能夠同時(shí)、實(shí)時(shí)、以非常高的空間分辨率觀察整個(gè)塊狀材料。實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),可以幫助我們開(kāi)發(fā)新儀器和數(shù)據(jù)分析,并為將來(lái)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法做準(zhǔn)備。”
該團(tuán)隊(duì)在真空爐中將每個(gè)3D打印部件在700℃或875℃的溫度環(huán)境下退火數(shù)小時(shí)。隨著內(nèi)應(yīng)變的減輕,中子很容易穿透真空爐壁并對(duì)零件主體部分進(jìn)行成像。在較低溫度下,1-1.5小時(shí)內(nèi)應(yīng)力才能消除,而在較高溫度下只需幾分鐘。
ORNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束線的首席儀器科學(xué)家Ke An表示,內(nèi)應(yīng)變的數(shù)量和分布與生產(chǎn)過(guò)程中的激光束速度、激光功率和其他參數(shù)有關(guān),ORNL高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)的首席成像光束線科學(xué)家Hassina Bilheux談到:“這項(xiàng)研究展示了工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和實(shí)驗(yàn)室如何合作應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)。”O(jiān)RNL是美國(guó)唯一一家能夠?yàn)槿蛑凶佑脩羯鐓^(qū)提供互補(bǔ)衍射和中子成像技術(shù)的設(shè)施。提供高速數(shù)據(jù)采集和分析專業(yè)知識(shí)。
Bilheux補(bǔ)充說(shuō),SNS目前正在建設(shè)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(shí)驗(yàn)還將受益于升級(jí)后的SNS直線加速器更強(qiáng)大的2.0兆瓦質(zhì)子功率?!癡ENUS將增強(qiáng)對(duì)在高溫和壓力等極端條件下運(yùn)行和暴露于極端條件下的設(shè)備的結(jié)構(gòu)和機(jī)械行為的成像。用戶還將利用獨(dú)特的脈沖源中子成像技術(shù),更好地了解更廣泛的材料、制造和生產(chǎn)過(guò)程?!?/p>
“在GE,我們對(duì)來(lái)自這些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及在ORNL使用中子設(shè)施是多么容易感到非常滿意,”Makinde說(shuō),“所有必要的設(shè)備都已經(jīng)在光束線上安裝和校準(zhǔn),因此,我們不必?cái)y帶自己的真空爐。SNAP光束線上的爐子保持受控溫度,數(shù)據(jù)采集非常同步且及時(shí)?!?/p>
當(dāng)前,GE的科學(xué)家們正在使用這些數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)改進(jìn)計(jì)算機(jī)模型,以幫助預(yù)測(cè)3D打印部件是否以及在何處可能開(kāi)裂。然后,他們可以確定減少內(nèi)應(yīng)力和優(yōu)化設(shè)計(jì),有助于防止此類缺陷的再次發(fā)生。
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