Два связанных открытия продвигают фундаментальные и прикладные исследования аддитивного производства

Исследовательская группа под руководством Тао Сан, доцента материаловедения и инженерии Университета Вирджинии, сделала два открытия, которые могут расширить аддитивное производство в аэрокосмической и других отраслях, где используются прочные металлические детали.

По данным Ассоциации производственных технологий, аддитивное производство на протяжении многих лет способствует производству самолетов. Однако аддитивное производство также порождает дефекты микроструктуры готовой детали, что ограничивает его роль в производстве воздуховодов, внутренних компонентов и других некритичных деталей. Аддитивное производство деталей с регулируемой безопасностью поможет отрасли реализовать свои стремления к эффективному и стабильному управлению цепочкой поставок, а также к экономии топлива и сокращению выбросов, которые характерны для более легких самолетов.

Команда Sun и сотрудники обнаружили, почему структурные дефекты возникают при аддитивном производстве деталей из высокопрочного и легкого титанового сплава, широко используемого в аэрокосмической отрасли. Они представляют карту процесса — чертеж, который машина использует для создания детали, — чтобы помочь производителям избежать возникновения дефектов во время общей технологии аддитивного производства, называемой сваркой в ​​лазерном порошковом слое.

Статья команды «Критическая нестабильность при перемещении наконечника замочной скважины вызывает пористость при лазерном плавлении» опубликована в выпуске журнала Science от 27 ноября . Цан Чжао, который был доктором в исследовательской группе Sun в Аргоннской национальной лаборатории, а теперь является преподавателем кафедры машиностроения в Университете Цинхуа в Пекине, первым автором статьи вместе с коллегами из Аргонна, Университета Карнеги-Меллона, Университета Юты и UVA. Второй автор, Ниранджан Д. Параб, также был одним из постдоков Аргоннской национальной лаборатории Sun, который с тех пор присоединился к Intel.

Исследовательская группа сосредоточила внимание на двух наиболее важных условиях процесса аддитивного производства: мощности лазера и скорости сканирования. То, как эти два условия устанавливаются и взаимодействуют, фиксируется на карте процесса мощности-скорости. Подобно обычной карте, карта мощности-скорости устанавливает границы между областями, в которых следует работать, и областями, которых следует избегать.

Карту мощности и скорости можно разделить на хорошую зону и три плохие зоны. Если производитель остается в хорошей зоне, сборка, скорее всего, будет давать высококачественные детали на постоянной основе. Две плохие зоны легко распознать. Один из них представляет собой отсутствие плавления, о чем свидетельствует нерасплавленный порошок из-за недостаточной плотности мощности лазера. Вторая плохая зона представлена ​​комками, когда одна печатная линия сворачивается сама на себя, сигнализируя о том, что лазер движется слишком быстро.

Сан и команда сосредоточены на четвертой зоне. В этой зоне детали выходят из процесса сборки с крошечными отверстиями, структурным дефектом, называемым пористостью. Эти крошечные отверстия появляются внутри материала, из-за чего их трудно увидеть и контролировать. «Вы можете напечатать несколько тестовых линий, и вы все равно не узнаете, исследуя поверхность детали, есть ли под ней пористость», — сказал Сан.

Дефекты пористости остаются проблемой для чувствительных к усталости приложений, таких как крылья самолетов. Некоторая пористость связана с глубокими и узкими впадинами пара, называемыми замочными скважинами, которые возникают в условиях лазерного плавления с высокой мощностью и низкой скоростью сканирования.

Сан и команда обнаружили, как возникает пористость, и смогли охарактеризовать трансформацию материалов в процессе 3D-печати с очень высоким пространственным и временным разрешением. Они использовали метод визуализации, называемый высокоскоростной синхротронной рентгеновской визуализацией, который отслеживает формирование пор кадр за кадром на протяжении всего процесса лазерной печати. Изображения снимаются с микросекундными интервалами, намного превышающими то, что может уловить человеческий глаз или обработать человеческий мозг.

Высокоскоростная синхротронная рентгеновская визуализация — единственный доступный метод для качественного измерения и описания того, что происходит, когда лазерный луч попадает на слой металлического порошка. Помимо плавления порошка, лазер также испаряет металл. Пар с высокой скоростью, покидающий поверхность ванны расплава, создает небольшую полость, называемую замочной скважиной.

Формирование и размер замочной скважины зависят от мощности лазера и способности материалов поглощать лазерную энергию. Если стенки замочной скважины стабильны, это увеличивает поглощение лазерного излучения окружающим материалом и повышает эффективность производства лазера. Однако если стенки шатаются или разрушаются, материал затвердевает вокруг замочной скважины, захватывая воздушный карман внутри вновь образованного слоя материала. Это делает материал более хрупким и с большей вероятностью растрескается под воздействием окружающей среды.

Сан описал границу между хорошей зоной и плохой зоной пористости как гладкой и резкой. «Очень узкое состояние лазера, особые комбинации мощности и скорости, отделяют хорошую деталь от части с порами. Просто перейдя границу между хорошей и плохой зонами, можно определить, имеет ли ваша деталь этот структурный дефект», — сказал Сан. Основываясь на физике такой гладкой и четкой границы, Sun знала, что здесь задействован подпроцесс.

В конце концов команда обнаружила, что взаимодействие лазера с металлом генерирует акустические волны.

Сан объясняет, что акустическая волна может по-разному взаимодействовать с пузырьком газа в жидкости. Под действием акустической силы пузырь может двигаться, деформироваться, раскалываться и даже разрушаться. В этом исследовании команда обнаружила, что в лазерных условиях вблизи границы зоны пористости акустическая сила играет решающую роль в отталкивании поры от наконечника замочной скважины. Без генерации акустических волн в ванне расплава пора будет вытягиваться обратно в замочную скважину.

«Это довольно удивительно, — сказал Сан. «Короткоимпульсные лазеры считались источником для генерации акустических волн в жидкости, но мы наблюдали акустические эффекты при использовании лазеров непрерывного действия. По-видимому, есть еще много интригующих проблем, которые требуют дополнительных исследований».

Два открытия, описанные в статье Science, имеют непосредственное влияние на лазерное аддитивное производство металлов как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях. Четко определенная граница зоны пористости на карте мощности-скорости дает больше уверенности специалистам по сварке в лазерном порошковом слое при определении хороших условий печати. Между тем, новые наблюдения, обеспечиваемые синхротронной рентгеновской визуализацией, открывают захватывающие междисциплинарные области исследований, которые привлекут больше ученых для проведения фундаментальных исследований в области лазерного аддитивного производства.

Исследовательская группа Sun в UVA продолжит применять самые современные методы определения характеристик для углубленного изучения процессов и материалов аддитивного производства. Технологии аддитивного производства обещают полностью революционизировать то, как мы делаем вещи.

«Аддитивное производство может полностью раскрыть свой потенциал только после того, как исследовательское сообщество соберет воедино всю прекрасную физику, управляющую сложными взаимодействиями энергии и вещества, задействованными в процессе печати», — сказал Сан.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Школой инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии . Оригинал написан Карен Уокер. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.