ORNL研究人员使用中子衍射原位监测WAAM 3D打印零件中的应力

2023年10月19日，南极熊获悉，橡树岭国家实验室（ORNL）科学家计划利用中子衍射在原子水平上观察增材制造过程，并使用 OpeN-AM 平台证明他们可以测量材料演化过程中的应变，并跟踪材料原子如何响应应力而移动。该实验基于 OpeN-AM完成，这是一个在实验室散裂中子源上使用 VULCAN 光束线进行监测的 3D 打印平台系统。

△OpeN-AM实验平台安装在 ORNL 散裂中子源的 VULCAN 仪器上。图片来源：Jill Hemman，ORNL/美国能源部。

ORNL 材料科学与技术部门的材料科学家、首席科学家 Alex Plotkowski 说道：“汽车、航空航天、清洁能源和工具模具行业——任何需要复杂和高性能零件的行业——都可以使用增材制造。”

普洛特科夫斯基和他的同事在《自然通讯》期刊上报告了他们的发现，论文题为：“Operandoneutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3Dprinting”。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40456-x

ORNL 科学家开发了 OpeN-AM，这是一个 3D 打印平台，可以使用 ORNL 散裂中子源（SNS）（美国能源部科学办公室用户设施）的 VULCAN 束线来测量增材制造过程中不断变化的残余应力。当与红外成像和计算机建模相结合时，该系统能够前所未有地洞察制造过程中的材料行为。

在这种情况下，他们使用低温转变（LTT）钢，使用 OpeN-AM 平台物理测量原子响应应力（无论是温度还是负载）而移动的方式。

残余应力是指即使在载荷或应力原因消除后仍然存在的应力。它们会使材料变形，或者更糟糕的是，导致材料过早失效。这种应力是制造具有所需特性和性能的精确部件的主要挑战。

普洛特科夫斯基（Alex Plotkowski），ORNL材料科学与技术部门的材料科学家，也是该实验的首席科学家表示：“我们已经成功地证明了有一种方法可以做到这一点。我们正在证明我们了解一种情况下的联系以预测其他情况。”

科学家们构思并在两年的时间里完成了这个实验，可以测量材料演变过程中的应变过程，从而确定应力的分布方式。

普洛特科夫斯基说：“制造商将能够调整其组件中的残余应力，提高其强度，使它们更轻且形状更复杂。这项技术可以应用于任何你想要制造的东西。我们已经成功地证明了有一种方法可以做到这一点。“们正在证明我们了解一种情况下的联系，以预测其他情况。”

科学家们最近凭借这项技术获得了 2023 年 R&D 100 奖。R&D World 杂志于八月宣布了获奖者。Plotkowski 和其他获奖者将于 11 月 16 日在圣地亚哥举行的该组织颁奖典礼上接受表彰。

科学家们使用定制的线弧增材制造（WAAM）平台在 SNS 上对 LTT 金属进行了所谓的操作中子衍射。他们使用 SNS 的 VULCAN 光束线对钢材进行处理并记录制造过程中以及冷却至室温后各个阶段的数据。他们将衍射数据与红外成像相结合来证实结果。该系统是在制造演示设施（MDF）（美国能源部先进材料和制造技术办公室用户联盟）设计和建造的，其中还构建了该平台的复制系统，用于在光束线执行之前规划和测试实验。

SNS 运行一台线性粒子加速器，可产生中子束以在原子尺度上研究和分析材料。他们开发的研究工具使科学家能够在材料生产过程中观察其内部，实时观察工作机制。LTT 钢被熔化并分层沉积。随着金属凝固和冷却，其结构发生了所谓的相变。当这种情况发生时，原子会重新排列并占据不同的空间，材料的行为也会不同。

通常，仅在加工后观察材料时很难理解高温下发生的转变。通过观察加工过程中的LTT钢，科学家们的实验表明他们可以理解和操纵相变。普洛特科夫斯基说：“我们想要了解这些应力的状态，解释它们是如何产生的，并找出控制它们的方法。”

该研究的作者表示，这些结果提供了一种新的途径，通过使用过程控制来改善关键相变温度周围热梯度的不均匀空间和时间变化，在增材制造的部件中设计理想的残余应力状态和性能分布。

普洛特科夫斯基希望世界各地的科学家来到橡树岭国家实验室，对他们想要用于制造的金属进行类似的实验。

这项 Open-AM 研究由 ORNL的实验室指导研究和开发计划资助，该计划支持对国家计划具有潜在高价值领域的高风险研究和开发。合著者包括 ORNL的 Chris Fancher、James Haley、Ke An、Rangasayee Kannan、Thomas Feldhausen、Yousub Lee、Dunji Yu 和 Joshua Vaughan；田纳西大学橡树岭分校州长主席 Suresh Babu；以及橡树岭国家实验室前研究员 Kyle Saleeby、Guru Madireddy 和 C. Leach。