金属3D打印：实时跟踪微观结构的演变

来自 实验室仪器网

研究人员使用Argonne的APS来实时捕捉金属微观结构在3D打印过程中如何演变。这些发现可能为航空航天、国防和能源零部件的先进制造铺平道路。

在增材制造的一种形式中，复杂的金属部件一次构建一层超薄层-类似于给蛋糕上糖霜，但精度和复杂性要高得多。该技术可以打印使用传统方法难以或不可能制造的3D零件。它还为缓解供应链中断和实现国内制造现代化提供了一条前进的道路。

增材制造已被用于生产航空航天、医疗保健等关键领域的金属部件。但仍然存在一个主要挑战：实现零件之间一致的质量和可重复性。

现在，研究人员在3D打印过程中观察了金属微观结构如何实时变化，这是一项重大的科学进步。

该团队研究了一种增材制造技术，其中激光快速熔化细金属线。当金属熔化时，它会沉积在第一层之后的前一层，然后几乎立即冷却和凝固。这个过程逐层重复以创建复杂的组件。以前，科学家只能在打印过程完成后分析这些组件的微观结构。

金属是由排列成有序晶体结构的原子组成的，但在快速加热和冷却下，一些原子会错位。这些缺陷——称为错位——可以加强或削弱最终部分。

该团队使用APS的光束线1-ID-E对常用结构合金316L不锈钢进行了3D打印。他们通过实时X射线衍射跟踪打印过程，直接测量位错形成和扩散的方式和时间。

分析表明，APS在研究以前只能通过事后分析才能看到的缺陷方面有多么强大，这是首次将这种实时技术应用于这种基于激光的方法来研究金属线的位错演变。

数据显示，位错形成较早，就像金属从液体变为固体一样。以前人们认为，随着冷却和凝固过程中应力的积累，它们的形成较晚。一个关键因素是特定反应，其中液体同时形成两个固相，产生高密度的位错。

这种更深入的理解可以帮助工程师提高3D打印零件的强度和可靠性。通过调整打印变量，开发人员将能够在微观水平上精确控制位错的形成。通过这种方式，他们可以充分利用位错的有益属性，同时最大限度地减少有害属性。

所获得的见解还可以刺激新合金的开发。调整不锈钢的化学成分——例如，通过调整铬或镍的比例，或添加铝等元素——可以影响位错的形成方式和应力的分布方式。

这种类型的3D打印可以制造出可靠且超强且能够承受极端条件的定制金属部件，这可能是为阿贡和其他实验室目前正在设计的下一代核反应堆建造先进金属部件的关键。

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