近日，美國德州農工大學研究團隊發表了最新研究成果，他們使用激光粉末床融合3D打印技術與金屬合金，實現了均勻、無缺陷的零件打印。期間，研究人員系統地研究了合金成分對微觀結構的可印刷性和凝固性的影響，以更好地了解合金成分、工藝參數和熱力學是如何影響最終零件的成型。
通過3D打印實驗，研究團隊定義了優化合金性能和3D打印卓越的、相同的微型零件所需的合金化學成分和工藝參數。此外，研究人員通過使用機器學習創建公式，用于任何類型的合金打印，以幫助防止出現不均勻性。
■研究人員開發的新方法可以優化合金特性和工藝參數，圖片顯示的是研究中使用的鎳粉合金的彩色電子顯微照片（來源：Raiyan Seede）
用于增材制造的合金金屬粉末可以包含不同濃度的金屬混合物，例如鎳、鋁和鎂。在激光粉末床融合3D打印過程中，這些粉末在激光束加熱后會迅速冷卻。合金粉末中的不同金屬具有不同的冷卻性能，并以不同的速度凝固。這種不一致性，會導致打印的產品產生微觀缺陷。
“當合金粉末冷卻時，個別金屬會沉淀出來，”團隊成員Raiyan Seede研究員說，“想象一下將鹽倒入水中。當鹽的量很少時會立即溶解，但是隨著倒入更多的鹽，不溶解的多余鹽顆粒開始以晶體形式沉淀。從本質上講，這就是金屬合金在打印后迅速冷卻時發生的情況。”這種缺陷表現為“小口袋”狀的形式，其中包含的金屬成分濃度與打印部件其他區域的金屬成分濃度略有不同。
研究人員研究了4種二元鎳基合金的凝固微觀結構。在實驗中，他們還研究了每種合金在不同溫度和鎳基合金中其他金屬濃度不斷增加的情況下的物理相。研究人員使用詳細的金相圖確定每種合金的化學成分，這些成分會在增材制造過程中引起最少的微觀缺陷。
■鎳鋅合金單次激光掃描橫截面的掃描電子顯微鏡圖像（來源：Raiyan Seede）
接下來，研究人員在不同的激光設置下熔化單一軌跡的合金金屬粉末，并確定可提供無孔隙零件的激光粉末床融合工藝參數。從金相圖中獲得的信息與實驗結果相結合，為團隊提供了對激光參數設置和鎳基合金成分的全面分析，這些分析可以產生無孔隙的打印部件，而不會出現微觀缺陷。
隨著合金在增材制造中使用的增加，打印滿足或超過標準質量零件的挑戰也將增加。德克薩斯大學的研究團隊將使制造商能夠優化合金化學和工藝參數，以便專門為增材制造設計合金，并有效地控制打印產品的微觀結構。
“我們的方法簡化了不同成分合金在增材制造中的成功使用，而無需擔心引入缺陷，即使是在微觀尺度上，”團隊成員Ibrahim Karaman教授說，“這項工作將對航空航天、汽車和國防行業大有裨益，這些行業一直在尋找更好的方法來制造定制化金屬零件。”
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