研究人员调查流体流动如何影响金属3D打印零件的机械性能

2022 年 06 月 01 日

      5月31日讯,清华大学和新加坡国立大学的研究人员正在研究流体流动对金属3D打印零件机械性能的影响。对于激光粉末床融合等金属增材制造技术,仔细控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成对于调整最终晶粒结构至关重要。这很重要,因为晶粒结构和晶粒尺寸对几乎所有机械性能都有显着影响,包括硬度、屈服强度、抗拉强度、疲劳强度和冲击强度。
        有很多因素和参数会影响 3D 打印中新晶粒和枝晶的形成,但温度梯度和凝固速度已经被认为是主要的决定因素。然而,据研究人员称,尚未研究 3D 打印部件熔池中流体流动的影响。

钴钐铜合金中 3D 枝晶结构的 SEM 成像。图片来自剑桥大学。
       冶金领域的枝晶是典型的树状晶体结构,随着熔融金属的凝固而生长和传播。就像晶粒尺寸一样,枝晶生长会对金属零件的机械性能产生深远的影响。为了研究流体流动的影响,研究团队使用计算流体动力学 (CFD) 模型来模拟流动液体熔池中枝晶的生长。该模型涵盖了在各种温度梯度和凝固速度下的 0、0.2 和 0.4 m/s 流速,以实现全面性。为了将流体流动与枝晶生长联系起来,团队双向耦合了 CFD 模型和多网格枝晶发展模型。
     该团队还利用实验方法来补充模型,使用激光和电子束对 Inconel 718 样品进行单轨测试。随后的数值建模过程涉及模拟具有不同构建方向和凝固条件的各种流动条件下的枝晶生长。此外,来自物理实验的流场和温度数据用于进行熔池大小的枝晶生长模拟。
CFD 模拟的枝晶结构
 CFD 模拟的枝晶结构。图片来自清华大学。
 流体流动如何影响枝晶生长?
     从结果来看,熔池边界处的温度梯度越高,最高枝晶尖端与零过冷平面之间的距离就越长。模拟结果表明,流体流动和凝固速度对金属 3D 打印中枝晶和新晶粒的形成都有非常显着的影响。效果也与传统铸造工艺中的效果相似。总结这项工作,该研究的作者相信他们的发现可以为基于温度梯度和凝固速度的成核理论提供有用的见解。这最终为金属 3D 打印过程中更精细的晶粒结构(和机械性能)控制铺平了道路。
模拟枝晶 XZ 和 YZ 截面中 Nb 分布的比较
 模拟枝晶 XZ 和 YZ 截面中 Nb 分布的比较。图片来自清华大学。
         金属增材制造领域的研究范围广泛而令人震惊。就在本月,来自塔林科技大学和爱沙尼亚生命科学大学的研究人员调查了使用 3D 打印技术生产软磁芯的情况。虽然迄今为止由于难以保持磁芯效率,磁芯的打印一直是一项重大挑战,但该团队现在提出了一种基于激光的增材制造工作流程,他们声称该工作流程可以产生优于软磁复合材料的磁性。
        在其他地方,弗吉尼亚理工大学最近与位于克里斯蒂安斯堡的 3D 打印技术开发商 MELD Manufacturing 合作,推进该公司的添加剂摩擦搅拌沉积技术。该大学的于研究组首次以学术身份开始带头研究该技术。弗吉尼亚理工大学的研究兴趣包括温度、材料流动和变形等工艺基础,以及动态相和微观结构演化。

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