清華大學(xué)和新加坡國立大學(xué)的研究人員正在研究流體流動對金屬3D打印零件機(jī)械性能的影響。對于激光粉末床融合等金屬增材制造技術(shù)，仔細(xì)控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成對于調(diào)整最終晶粒結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。這很重要，因?yàn)榫Я＝Y(jié)構(gòu)和晶粒尺寸對幾乎所有機(jī)械性能都有顯著影響，包括硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。

有很多因素和參數(shù)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(jīng)被認(rèn)為是主要的決定因素。然而，據(jù)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(jié)構(gòu)的 SEM 成像。圖片來自劍橋大學(xué)。

冶金領(lǐng)域的枝晶是典型的樹狀晶體結(jié)構(gòu)，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(jī)械性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為了研究流體流動的影響，研究團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算流體動力學(xué) (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(shí)現(xiàn)全面性。為了將流體流動與枝晶生長聯(lián)系起來，團(tuán)隊(duì)雙向耦合了 CFD 模型和多網(wǎng)格枝晶發(fā)展模型。

該團(tuán)隊(duì)還利用實(shí)驗(yàn)方法來補(bǔ)充模型，使用激光和電子束對 Inconel 718 樣品進(jìn)行單軌測試。隨后的數(shù)值建模過程涉及模擬具有不同構(gòu)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(shí)驗(yàn)的流場和溫度數(shù)據(jù)用于進(jìn)行熔池大小的枝晶生長模擬。

CFD 模擬的枝晶結(jié)構(gòu)。圖片來自清華大學(xué)。

流體流動如何影響枝晶生長？

從結(jié)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(jié)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(tǒng)鑄造工藝中的效果相似?？偨Y(jié)這項(xiàng)工作，該研究的作者相信他們的發(fā)現(xiàn)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(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)（和機(jī)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(xué)。

金屬增材制造領(lǐng)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(xué)和愛沙尼亞生命科學(xué)大學(xué)的研究人員調(diào)查了使用 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)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(xiàng)重大挑戰(zhàn)，但該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)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(chǎn)生優(yōu)于軟磁復(fù)合材料的磁性。

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

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