研究人員調查流體流動如何影響金屬3D打印零件的機械性能

魔猴君  行業資訊   1038天前

清華大學和新加坡國立大學的研究人員正在研究流體流動對金屬3D打印零件機械性能的影響。對于激光粉末床融合等金屬增材制造技術，仔細控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成對于調整最終晶粒結構至關重要。這很重要，因為晶粒結構和晶粒尺寸對幾乎所有機械性能都有顯著影響，包括硬度、屈服強度、抗拉強度、疲勞強度和沖擊強度。

有很多因素和參數會影響 3D 打印中新晶粒和枝晶的形成，但溫度梯度和凝固速度已經被認為是主要的決定因素。然而，據研究人員稱，尚未研究 3D 打印部件熔池中流體流動的影響。

鈷釤銅合金中 3D 枝晶結構的 SEM 成像。圖片來自劍橋大學。

冶金領域的枝晶是典型的樹狀晶體結構，隨著熔融金屬的凝固而生長和傳播。就像晶粒尺寸一樣，枝晶生長會對金屬零件的機械性能產生深遠的影響。為了研究流體流動的影響，研究團隊使用計算流體動力學 (CFD) 模型來模擬流動液體熔池中枝晶的生長。該模型涵蓋了在各種溫度梯度和凝固速度下的 0、0.2 和 0.4 m/s 流速，以實現全面性。為了將流體流動與枝晶生長聯系起來，團隊雙向耦合了 CFD 模型和多網格枝晶發展模型。

該團隊還利用實驗方法來補充模型，使用激光和電子束對 Inconel 718 樣品進行單軌測試。隨后的數值建模過程涉及模擬具有不同構建方向和凝固條件的各種流動條件下的枝晶生長。此外，來自物理實驗的流場和溫度數據用于進行熔池大小的枝晶生長模擬。

CFD 模擬的枝晶結構。圖片來自清華大學。

流體流動如何影響枝晶生長？

從結果來看，熔池邊界處的溫度梯度越高，最高枝晶尖端與零過冷平面之間的距離就越長。模擬結果表明，流體流動和凝固速度對金屬 3D 打印中枝晶和新晶粒的形成都有非常顯著的影響。效果也與傳統鑄造工藝中的效果相似?？偨Y這項工作，該研究的作者相信他們的發現可以為基于溫度梯度和凝固速度的成核理論提供有用的見解。這最終為金屬 3D 打印過程中更精細的晶粒結構（和機械性能）控制鋪平了道路。

模擬枝晶 XZ 和 YZ 截面中 Nb 分布的比較。圖片來自清華大學。

金屬增材制造領域的研究范圍廣泛而令人震驚。就在本月，來自塔林科技大學和愛沙尼亞生命科學大學的研究人員調查了使用 3D 打印技術生產軟磁芯的情況。雖然迄今為止由于難以保持磁芯效率，磁芯的打印一直是一項重大挑戰，但該團隊現在提出了一種基于激光的增材制造工作流程，他們聲稱該工作流程可以產生優于軟磁復合材料的磁性。

在其他地方，弗吉尼亞理工大學最近與位于克里斯蒂安斯堡的 3D 打印技術開發商 MELD Manufacturing 合作，推進該公司的添加劑摩擦攪拌沉積技術。該大學的于研究組首次以學術身份開始帶頭研究該技術。弗吉尼亞理工大學的研究興趣包括溫度、材料流動和變形等工藝基礎，以及動態相和微觀結構演化。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guoneidongtai/42519.html