X射線揭示3D打印合金的微觀結構指紋
時間：2023-11-23 18:30 來源：新材料國際情報中心 作者：admin 閱讀：次
該團隊的研究成果以“X射線衍射揭示增材制造中的枝晶形變模式”發表于Communications Materials，文章第一作者是博士生Adrita Dass。
固化過程中生長枝晶的形變模式。（a）IN625 {311}峰的方位角 (η)
與時間的關系圖，處理功率為 250W，掃描速度為 4.5mm/s，顯示了不同的固化階段；（b） 2.4s 至 2.7s 之間所有五個 IN625
峰的方位角 (η) 與時間的關系圖，顯示了導致單個衍射點的微晶；（c）2.8s 至 4.2s 之間 IN625 {311}峰的方位角 (η)
與時間的關系圖，突出了初級枝晶生長及其形變；（d）在特定時間范圍內的代表性2D
x射線衍射圖，橙色方框指定了研究區域，沿實際方位環的白色曲線為參考，由t=2.9s到t=4.2s僅跟蹤研究區域的單個2D
x射線衍射圖，平均每時間步十幀以獲得更好的統計數據；（e）跟蹤 (d)
中相同點在探測器上的角位置（η）和絕對最大強度（a.u.）與時間的關系圖；(f)
由于扭轉和側向彎曲導致的枝晶形變模式示意圖。所有的比例標尺都為歸一化強度。
康奈爾大學Sibley機械與航空航天工程學院助理教授，該論文的通訊作者Atieh Moridi表示：“我們總是在加工后觀察這些材料的微觀結構，但只進行結果表征會遺漏很多信息。現在我們有了工具，可以觀察這些微觀組織的演變。我們希望能夠了解這些微小的圖案或微觀結構是如何形成的，因為它們決定了3D打印零件性能的一切。”
該團隊專注于一種廣泛應用于增材制造和航空航天工業的一種3D打印模式，在這種模式中，粉末（本例中為鎳基高溫合金IN625）通過噴嘴施加，由高功率激光束熔化，然后冷卻固化。
由于在實驗室中無法獲取高能X射線，研究人員創建了一個便攜式的3D打印裝置，并將其帶到了康奈爾高能同步加速器源的高能X射線科學中心(CHEXS@CHESS)的威爾遜實驗室。
該設備以前從未進行過這種類型的3D打印實驗，因此CHESS光束線科學家、現任賓夕法尼亞州立大學助理教授Darren Pagan與研究人員合作，將打印機設置集成到該設備的一個實驗箱中。CHESS團隊還制定了操作高功率激光器和易燃粉末的關鍵安全協議。
在FAST光束線的實驗中，一束聚焦的X射線束被送入艙室，在那里將IN625加熱、熔化和冷卻。打印機另一側的探測器捕捉到X射線與材料相互作用產生的衍射圖案。
Moridi教授解釋道：“這些衍射圖案的形成方式為我們提供了大量關于材料結構的信息。它們在加工過程中捕捉材料歷史的微觀結構指紋。根據相互作用及其原因，我們獲得了不同的模式，根據這些模式，我們可以反向計算材料的結構。”
通常，研究人員會試圖合并大量的衍射數據來進行分析。但Moridi、Dass和合著者田晨曦（音譯）博士承擔了一項更具挑戰性的任務，研究了原始探測器圖像。Moridi談道：“雖然這種方法需要更多的時間，但它提供了一個更豐富、更全面的畫面，揭示了IN625是如何形成的，這是我們大多數時候都無法觀測到的獨特功能。”
該研究小組確定了該過程中的熱效應和機械效應所產生的關鍵微觀結構特征，包括：扭轉、彎曲、碎裂、同化、振蕩和枝晶間生長。
研究人員認為，他們的方法還可以應用于其他3D打印金屬，如不銹鋼、鈦、高熵合金或任何具有晶體結構的材料系統。
該方法還可以協助開發更加堅固的材料。例如，脈沖激光束會增加晶體內部的碎片，縮小晶粒尺寸，使材料更堅固。
Dass教授表示：“我們的最終目標是為特定應用的特定合金提供最佳材料體系。如果你了解加工過程中發生了什么，那你就可以選擇如何加工材料以獲得所需要的特定功能。”
(責任編輯：admin)
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