English
簡體中文
根據(jù)報(bào)告，增材制造多年來為飛機(jī)生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。但是，增材制造還會(huì)在終零件的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷，從而將其作用限制在管道，內(nèi)部組件和其他非關(guān)鍵零件的制造中。安全監(jiān)管零件的增材制造將幫助航空業(yè)實(shí)現(xiàn)有效和穩(wěn)定的供應(yīng)鏈管理的愿望，以及輕型飛機(jī)隨附的燃油節(jié)省和減排。
團(tuán)隊(duì)和合作者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為什么在增材制造由航空航天應(yīng)用中廣泛使用的高強(qiáng)度，重量輕的鈦合金制成的零件時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷。他們提供了工藝圖，機(jī)器用來制造零件的藍(lán)圖，幫助制造商避免在稱為激光粉末床熔合的常見增材制造技術(shù)中產(chǎn)生缺陷。
研究團(tuán)隊(duì)專注于增材制造過程的兩個(gè)重要條件，即激光功率和掃描速度。在功率-速度過程圖中捕獲了這兩個(gè)條件的設(shè)置和交互方式。與常規(guī)地圖類似，功率-速度地圖在要工作的區(qū)域和要避開的區(qū)域之間設(shè)置邊界線。
功率-速度圖可以分為好區(qū)域和三個(gè)壞區(qū)域。如果制造商留在良好的區(qū)域，則該零件很可能會(huì)始終如一地生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件。兩個(gè)壞區(qū)很容易識(shí)別。一種是缺乏熔合的現(xiàn)象，這是由于激光功率密度不足而導(dǎo)致的未熔融粉末所證明的。當(dāng)單條打印線在其自身上滾動(dòng)時(shí)，第二個(gè)壞區(qū)以滾珠表示，這表明激光運(yùn)動(dòng)太快。
團(tuán)隊(duì)專注于第四區(qū)。在該區(qū)域中，零件從制造過程中出來時(shí)會(huì)帶有微小的孔，這種結(jié)構(gòu)缺陷稱為孔隙。這些微小的孔出現(xiàn)在材料內(nèi)部，使其難以看到和控制。研究人員表示：“您可以打印多條測(cè)試線，而通過檢查零件表面是否仍然有氣孔仍然不知道。”
孔隙缺陷對(duì)于疲勞敏感型應(yīng)用（如飛機(jī)機(jī)翼）仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在高功率，低掃描速度的激光熔化條件下，一些孔隙與稱為鎖孔的深而窄的蒸汽凹陷有關(guān)。
團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了孔隙的產(chǎn)生方式，并能夠在3D打印過程中以很高的時(shí)空分辨率表征材料的轉(zhuǎn)變。他們使用了一種稱為高速同步加速器X射線成像的成像技術(shù)，該技術(shù)在整個(gè)激光打印過程中逐幀地監(jiān)視孔的形成。以微秒的間隔捕獲圖像，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人眼可以捕獲或人腦可以處理的范圍。
高速同步加速器X射線成像是定性測(cè)量和描述當(dāng)激光束暴露于金屬粉末床時(shí)發(fā)生的情況的唯一可用方法。除了熔化粉末外，激光還會(huì)蒸發(fā)一些金屬。高速蒸氣逸出熔池表面，形成一個(gè)稱為鎖孔的小腔。
鎖眼的形成和大小取決于激光功率和材料吸收激光能量的能力。如果鎖孔壁是穩(wěn)定的，它將增強(qiáng)周圍材料的激光吸收并提高激光制造效率。但是，如果壁晃動(dòng)或倒塌，則材料會(huì)在鎖孔周圍凝固，從而將氣袋滯留在新形成的材料層內(nèi)。這使材料更脆，在環(huán)境壓力下更容易破裂。
研究人員將好區(qū)域與壞孔隙區(qū)域之間的邊界描述為平滑且清晰。“在非常狹窄的激光條件下，功率和速度的特定組合將一個(gè)好的零件和一個(gè)帶有毛孔的零件分開。只需跨過好區(qū)和壞區(qū)之間的界限，就可以確定您的零件是否帶有這種結(jié)構(gòu)缺陷，” 研究人員說。基于如此光滑而尖銳的邊界的物理原理，研究人員知道一個(gè)子過程正在起作用。
該團(tuán)隊(duì)終發(fā)現(xiàn)，激光與金屬的相互作用會(huì)產(chǎn)生聲波。
研究人員解釋說，聲波可以以不同方式與液體中的氣泡相互作用。在聲力的作用下，氣泡可以移動(dòng)，變形，分裂甚至崩潰。在這項(xiàng)研究中，研究小組發(fā)現(xiàn)，在接近孔隙區(qū)域邊界的激光條件下，聲力在將孔隙推離鎖孔尖端方面起著至關(guān)重要的作用。在熔池中不產(chǎn)生聲波的情況下，孔隙將被拉回到鎖孔中。
“這真是令人驚訝，”研究人員說。“短脈沖激光器被認(rèn)為是在液體中產(chǎn)生聲波的來源，但我們?cè)谑褂眠B續(xù)波激光器時(shí)觀察到了聲效應(yīng)。顯然，仍有許多有趣的問題需要進(jìn)一步研究。”
雜志描述的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究領(lǐng)域的金屬激光增材制造均具有直接影響。功率-速度圖中清晰定義的孔隙區(qū)域邊界為激光粉末床熔合技術(shù)人員確定良好的印刷條件提供了更大的信心。同時(shí)，同步加速器X射線成像提供的新觀察結(jié)果開啟了激動(dòng)人心的多學(xué)科研究領(lǐng)域，將吸引更多科學(xué)家對(duì)激光增材制造進(jìn)行基礎(chǔ)研究。
研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)應(yīng)用先進(jìn)的表征技術(shù)，對(duì)增材制造工藝和材料進(jìn)行深入研究。增材制造技術(shù)有望徹底改變我們的制造方式。
“增材制造只有在研究界將控制印刷過程中涉及的復(fù)雜的能量-物質(zhì)相互作用的所有優(yōu)美的物理原理拼湊起來之后，才能發(fā)揮其全部潛力。”