美研究團隊基于激光床粉末熔化，3D打印出無缺陷的優質零部件

美國研究小組的一項研究發現，通過使用金屬合金激光床粉熔合3D打印技術，可以打印出均勻、無缺陷的零件。

這些研究人員系統地研究了合金成分對顯微組織的印刷性和凝固性的影響，以更好地了解合金成分、工藝變量和熱力學如何影響增材制造的零件。

通過3D打印實驗，他們確定了優化合金性能所需的合金化學和工藝參數，并在微尺度上打印出優異的、相同的零件。利用機器學習，他們還創造了一個公式，可以用于任何類型的合金，以幫助防止零件成分出現分布不均勻的情況。

以往，用于增材制造的合金金屬粉末可能會含有不同濃度的金屬混合物，如鎳、鋁和鎂。而在激光床粉熔化3D打印中，這些粉末被激光束加熱后迅速冷卻。合金粉末中不同的金屬具有不同的冷卻性能和不同的凝固速度，這種不一致會產生微小的缺陷或微偏析（microsegregation）。

“當合金粉末冷卻時，單獨的金屬會沉淀出來，”研究人員Raiyan Seede說。“想象一下把鹽倒進水里。當鹽的量很小的時候，它就會立刻溶解，但是當你倒更多的鹽，多余的沒有溶解的鹽顆粒開始以晶體的形式沉淀出來。本質上，這跟金屬合金在打印后迅速冷卻時所發生的事情一樣。”

Seede說，這種缺陷看起來像微小的“口袋”，里面含有的金屬成分濃度與打印部分的其他區域略有不同。

在實驗中，研究人員一共對四種二元鎳基合金的凝固組織進行了研究。在實驗中，他們研究了在不同溫度和鎳基合金中其他金屬濃度增加時每種合金的物理相。

利用詳細的相圖，研究人員確定了每一種合金的化學成分，這些成分在增材制造過程中會導致*小的微偏析。

接下來，研究人員在不同的激光設置下熔化合金金屬粉末的單一軌跡，并確定激光粉末床熔化工藝參數，以交付無孔隙的零件。

利用從相圖中獲得的信息結合單軌實驗的結果，團隊獲得了激光設置和鎳基合金成分的全面分析，*終可以產生無孔隙、無微偏析的打印零件。

研究人員訓練了機器學習模型，以識別單軌實驗數據和相圖中的模式，從而開發出可以用于任何合金的微偏析方程。Seede說，設計這個方程是為了預測合金凝固范圍、材料性能以及激光功率和速度下的偏析程度。

他們深入研究了合金微觀結構的微調，從而在比以前更精細的尺度上對*終打印對象的性能實現了更多的控制。

Ibrahim Karaman教授表示：“我們的方法簡化了不同成分的合金在增材制造中的成功使用，而不用擔心引入缺陷，即使是在微尺度上。”“這項工作將對航空航天、汽車和國防工業大有裨益，這些工業領域一直在尋找更好的方法來制造定制金屬部件。”

Raymundo Arroyavé教授和Alaa Elwany教授與Seede和Karaman合作進行了這項研究。他們表示，工業領域可以很容易地采用這種方法，用他們選擇的合金來制造出堅固、無缺陷的部件。

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