中子帮助研究人员观察3D打印部件的实时应力减少

来源: 江苏激光产业产业创新联盟  

减少制造部件的内部应变是制造后热处理(如退火)普遍存在的原因。

材料在制造过程中所经历的热、压力，会导致制造出来的金属零件内部不一致。这些不一致性包括变形和不均匀的微观结构，可能导致零件开裂和失效。




通用电气正在使用中子实验来开发改进的计算机模型，以帮助预测3D打印部件在哪里可能会破裂。

减少制造部件的内部应变是制造后热处理(如退火)普遍存在的原因。退火是指将制造的零件加热到高温，以减少或消除内应力。

通用电气全球研究院和加州大学伯克利分校的科学家们正致力于改进生产模型，以帮助更好地设计和热处理零件。在最近的一项研究中，他们将重点放在了使用增材制造技术(AM)制造的部件上，这种技术是一层一层地制造3D部件，或称“打印”。在美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的中子实验中，他们分析了与3D打印工艺相关的内应力形成。研究结果题为“Monitoring residual strain relaxation and preferred grainorientation of additively manufactured Inconel 625 by in-situ neutron imaging”，发表在《Additive Manufacturing (2021)》杂志上。



三坐标测量机对一组具有相同工艺参数的样品进行失真测量，显示零件之间的变异性。颜色条表示以毫米为单位的位移。

这项研究涉及到使用基于激光的增材制造零件，它使用激光熔化和沉积一种结构材料。熔化的材料——通常以粉末状金属或塑料开始——迅速冷却和硬化，然后再在上面沉积另一层。

基于激光的增材制造也会由于构建过程中的快速加热和冷却而引起内部应变。退火可以减少内应力，但过多的热量会导致材料中不必要的结构变化。

利用ORNL的VULCAN光束线上的中子衍射，研究人员测量了Inconel 625(一种常见的金属合金)建成样品内部的高内部残余应变。另一种补充技术，中子成像，随后在ORNL的SNAP束流线上被用于实时测量——如何退火零件减少内应力。初步标定实验是在日本质子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束线上进行的。


(a)未平均的仿真结果和(b)经过零件厚度平均后的仿真结果的比较。

“当使用激光调幅时，被熔化的表层非常热，而下层已经冷却。这种温度变化会产生内部应力，导致开裂。”通用电气全球研究的首席工程师Ade Makinde说，“中子帮助我们在退火过程中通过炉壁实时观察。我们观察在加热过程中，材料中的应力在哪里减少，在什么温度下减少。这是一种平衡。我们需要加热材料以减少应力，但避免温度过高，以防止不必要的结构变化。”

获得的数据有助于通用电气改进生产过程的计算机建模，以减少或消除打印部件的机械故障。例如，该模型可以展示如何通过改变零件的形状，将生产过程中发生的内应力降至最低，从而使零件变得更坚固。它还可以表明，改变激光束的宽度或激光传播的速度是否可以提高生产质量。

加州大学伯克利分校的物理学家Anton Tremsin说:“SNAP光束线的中子成像促进了实验，因为全世界只有少数几个中子设备能做到。是的，x射线衍射测量可以监测特定点的应变弛豫。然而，中子成像可以让我们以非常高的空间分辨率同时、实时地观察整个大块材料。这些数据将帮助我们开发新型无损检测技术的仪器和数据分析方法。”



试样2-2的应变图在SNAP光束线上测量。(a)升温过程从室温到680℃。在2 h的时间内对室温图像进行积分，在10 min的积分时间内获得所有高温图像，以匹配退火过程的时间尺度。温度是加热过程中的平均值。讨论中使用了指定为区域1和2的矩形;(b) 700°C退火40min的应变图，(C) 875°C退火40min的应变图。所有图像的整合时间超过10分钟。每个图像的时间戳是参考退火的开始。

研究小组在1300华氏度或1600华氏度(700摄氏度或875摄氏度)的真空炉中对每个3D打印部件进行了数小时的退火，中子很容易穿透真空炉壁，并在内部应变缓解时对整个体件进行成像。在较低的温度下，压力释放可以在1.0到1.5小时内完成，而在较高的温度下，只需要几分钟。

“在生产过程中，内部应变的数量和分布与激光束速度、激光功率和其他参数有关，”ORNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束线的首席仪器科学家Ke An说。实验数据是无价的，以及更好地理解如何在不降低结构完整性的情况下更快地退火零件。这意味着通用电气和其他行业研究伙伴现在可以有信心预测如何改进他们的产品设计和生产流程。”




1区应变分布随时间和温度的直方图0被定义为退火的开始。插图使用彩色编码的实心圆来表示采集直方图数据时的温度。

“这项研究表明，工业界、学术界和能源部实验室可以如何在现实世界的挑战中合作，”ORNL高通量同位素反应堆(HFIR)成像光束的首席科学家Hassina Bilheux说。“ORNL是美国唯一有能力为全球中子用户社区提供互补衍射和中子成像技术设备。我们还提供高速数据采集和分析专业知识。”

Bilheux补充说，目前正在SNS建设的金星成像光束将具有更广泛的中子能量供用户使用。用户实验也将受益于升级后的SNS直线加速器更强烈的、2.0兆瓦的质子功率。“VENUS将能够增强设备在高温和高压等极端条件下的结构和机械行为的成像。用户还将利用独特的脉冲源中子成像技术，更好地理解更广泛的材料、制造和生产过程。”

“在通用电气，我们对这些实验的数据和ORNL的中子设施的使用感到非常高兴，”Makinde说。“所有必要的设备都已经在光束线上安装和校准，所以，举例来说，我们不需要带自己的真空炉。SNAP光束线上的熔炉保持着可控的温度，一切都是同步的，以确保准确的数据采集。”

通用电气的科学家们正在利用这些数据开发改进的计算机模型，以帮助预测3D打印部件是否以及在哪里可能会破裂。然后，他们可以确定如何减少内应力和优化设计，以帮助防止此类缺陷。

来源：Monitoring residual strain relaxation and preferred grainorientation of additively manufactured Inconel 625 by in-situ neutron imaging,Additive Manufacturing (2021). DOI: 10.1016/j.addma.2021.102130