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来自清华大学的国际研究团队的两项发现推动增材制造在航空航天中的应用

发布时间:2021-01-12 14:59:38 | 人气:59

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来自清华大学的国际研究团队的两项发现推动增材制造在航空航天中的应用返回列表

江苏激光联盟导读:

由弗吉尼亚大学材料科学与工程学副教授Tao Sun领导的国际研究小组取得了两项发现,它们可以扩大航空航天和其他依赖强金属零件的行业的增材制造。


根据制造技术协会的报告,增材制造多年来为飞机生产做出了贡献。但是,增材制造还会在最终零件的微观结构中产生缺陷,从而限制了其在管道系统、内部零件和其他非关键零件的制造中的作用。安全监管零件的增材制造将帮助航空业实现其对高效,稳定的供应链管理以及轻型飞机随附的燃油节省和减排的期望。


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→激光表面图形化处理技术可以实现对飞机机翼的有效驱冰


Tao Sun和他的研究团队使用超高速同步X射线影像技术来对采用静止激光照射和移动扫描模式下的可视化Ti6Al4V钛合金的熔化和蒸汽压差(匙孔效应)的发展演化情况进行了观察分析。这一团队及其他研究者在早先的报道中公开过基于AM的同步X射线实验结果。如硬X射线具有高度的空间分辨率(2微米)和时间分辨率(50到400KHz),这是美国阿贡实验室先进声子中心在目前的先进水平。


该研究团队专注于增材制造过程的两个最重要条件,即激光功率和扫描速度。功率-速度过程图中捕获了这两个条件的设置和交互方式。与常规图类似,功率-速度地图在要工作的区域和要避开的区域之间设置边界线。功率-速度图可以分为好区域和三个坏区域。如果制造商留在良好的区域,则该零件很可能会始终如一地生产出高质量的零件。两个坏区很容易识别。一种是缺乏熔合的现象,这是由于激光功率密度不足而导致的未熔融粉末所证明的。当单条打印线在其自身上滚动时,第二个坏区以滚珠表示,这表明激光运动太快。



Sun和团队专注于第四区。在该区域中,零件从制造过程中出来时会带有微小的孔,这种结构缺陷称为孔隙。这些微小的孔出现在材料内部,使其难以看到和控制。Sun表示可以打印多条测试线,而通过检查零件表面是否仍然有气孔仍然不知道。


孔隙缺陷对于疲劳敏感型应用(如飞机机翼)仍然是一个挑战。在高功率,低扫描速度的激光熔化条件下,一些孔隙与称为锁孔的深而窄的蒸汽凹陷有关。


Sun和他的团队发现了孔隙是如何发生的,并能够在3D打印过程中以很高的时空分辨率表征材料的转变。他们使用了一种称为高速同步加速器X射线成像的成像技术,该技术可以在整个激光打印过程中逐帧监视孔的形成。以微秒的间隔捕获图像,远远超出人眼可以捕获或人脑可以处理的范围。


超高速同步X射线影像来定量研究在粉末床增材制造金属的过程中激光熔化金属时气体压差(又叫匙孔效应或小孔效应)。尽管从焊接和熔化的横截面的事后检查中可以对匙孔效应进行观察分析,但直接使用高能X射线影像技术对匙孔效应的形貌和动力学观察,却可以窥见不一样的世界:1,匙孔存在于粉末床3D打印时激光功率和扫描速度所组合的区间内;2激光功率密度变化时存在一个从热传导到匙孔效应焊接时严格定义的门槛值;3这一过渡允许蒸发,液相表面的压差,不稳定和深的匙孔效应的形成。


锁眼的形成和大小取决于激光功率和材料吸收激光能量的能力。如果锁孔壁是稳定的,它将增强周围材料的激光吸收并提高激光制造效率。但是,如果壁晃动或倒塌,则材料会在锁孔周围凝固,从而将气袋捕集到新形成的材料层中。这使材料更脆,在环境压力下更容易破裂。


Sun将好区域与坏孔隙区域之间的边界描述为平滑且清晰。在非常狭窄的激光条件下,功率和速度的特定组合将一个好的零件和一个带有毛孔的零件分开。只需跨过好区和坏区之间的界限,就可以确定您的零件是否带有这种结构缺陷。基于如此光滑而尖锐的边界的物理原理,Sun知道一个子过程正在起作用。


金属3D打印是一类可以自CAD数字模型直接制造出复杂的3D形状的先进制造技术。其中粉末床3D打印技术是一种常见的3D打印技术,使用高能激光扫描来选择性的熔化预铺设的粉末形成CAD预设的三维实体。高的能量密度和低的扫描速度会导致形成的熔池形状为窄且呈半圆形的形状(称之为热传导模式)向深且窄的形状(匙孔效应)过渡。3D打印中的匙孔效应,众所周知,同气孔的形成密切相关。形成的大的气孔后由于气孔会成为裂纹的萌生源而影响到材料的疲劳寿命。匙孔效应是一种气体填充的压差,在焊接中可谓众所周知,同时匙孔效应还同液相金属中的气化密切相关。


理解金属打印的工艺窗口的边界条件对重复制造无缺陷的部件是至关重要的。我们直接观察和识别了在采用静止激光进行实验时的状况以及蒸汽压差随工艺参数变化时熔池形貌的变化。激光增材制造时和激光焊接时两个主要的参数为激光功率和及该动态激光扫描速度,即P-V空间关系图.。同静止激光实验不同,静止空间图所不同的是,,几乎所有功率和速度的组合,尽管在传统的激光实验时,在不同的激光功率时几乎呈现出相似的行为。同日常所观察到的P-V图所不同的是,几乎所有的功率和速度的组合,尽管在传统的匙孔区域显示出深且窄的蒸汽压差,此时才定义为匙孔和此时在较粗糙的尺度下呈现出深的穿透焊接深度。


该团队最终发现,激光与金属的相互作用会产生声波。Sun解释说,声波可以以不同方式与液体中的气泡相互作用。在声力的作用下,气泡可以移动,变形,分裂甚至崩溃。在这项研究中,研究小组发现,在接近孔隙区域边界的激光条件下,声力在将孔隙推离锁孔尖端方面起着至关重要的作用。在熔池中不产生声波的情况下,孔隙将被拉回到锁孔中。


短脉冲激光器被认为是在液体中产生声波的来源,但我们在使用连续波激光器时观察到了声效应。显然,仍有许多有趣的问题需要进一步研究。


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该国际研究团队的成果以"Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting"一文11月27日发表在Science杂志上。赵苍曾在美国阿贡国家实验室的Sun研究小组中担任博士后,现在是北京清华大学机械工程系的教员,他是与卡内基梅隆大学大学、德克萨斯大学阿灵顿分校和弗吉尼亚大学的同事共同撰写的论文 。第二作者Niranjan D. Parab也是阿贡国家实验室Sun的博士后之一,他此后加入了Intel。


Sun在UVA的研究团队将继续应用最先进的表征技术,对增材制造工艺和材料进行深入研究。增材制造技术有望彻底改变我们的制造方式。


本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品,如需转载请标明来源,谢谢合作支持!


本文来源:Cang Zhao et al, Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting, Science (2020).  DOI: 10.1126/science.abd1587 

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