X射线揭示3D打印合金的微观结构指纹

康奈尔大学的研究人员采用了一种新颖的方法来探索3D打印金属合金中微观结构的出现方式：他们在打印材料时用X射线轰击它。

通过观察热机械变形过程如何实时产生局部微观现象，如弯曲、碎裂和振荡，研究人员将能够生产出具有这种性能增强特性的定制材料。

该小组的论文“Operando X射线衍射揭示的增材制造中的树枝状变形模式”于10月10日发表在Nature Communications Materials上。主要作者是博士生Adrita Dass，M.S. ‘ 20。

信用： Charissa King-O’Brien/Cornell Engineering

“我们总是在处理后查看这些微观结构，但是仅进行尸检表征会遗漏很多信息。现在我们有工具能够观察这些微结构演变，“康奈尔工程学院西布利机械与航空航天工程学院助理教授，该论文的资深作者Atieh Moridi说。“我们希望能够理解这些微小的图案或微观结构是如何形成的，因为它们决定了打印部件性能的一切。

该小组专注于一种3D打印形式，其中粉末 – 在这种情况下，镍基高温合金IN625，广泛用于增材制造和航空航天工业 – 通过喷嘴施加并通过高功率激光束熔化，然后冷却和凝固。

由于在实验室中获取高能X射线是不可行的，研究人员创建了一个便携式3D打印装置的双胞胎，并将其带到威尔逊实验室康奈尔高能同步加速器源（CHEXS@CHESS）的高能X射线科学中心。

该设施以前从未进行过这种类型的3D打印实验，因此国际象棋光束线科学家Darren Pagan，现在是宾夕法尼亚州立大学的助理教授，与研究人员合作，将打印机设置集成到该设施的一个实验小屋中。国际象棋团队还开发了操作高功率激光器和易燃粉末的关键安全协议。

在FAST光束线的实验过程中，聚焦的X射线束被发送到小屋中，在那里它通过IN625，因为它被加热，熔化和冷却。打印机另一侧的检测器捕获了X射线与材料相互作用产生的衍射图案。

“这些衍射图案形成的方式为我们提供了有关材料结构的大量信息。它们是在加工过程中捕获材料历史的微观结构指纹，“Moridi说。“根据相互作用和导致它的原因，我们得到不同的模式，从这些模式中，我们可以回溯计算材料的结构。

通常，研究人员会尝试整合衍射数据量以对其进行分析。但是Moridi，Dass和博士生兼合著者Chenxi Tian，M.S. ‘ 22，承担了一项更具挑战性的任务，并研究了原始探测器图像。Moridi说，虽然这种方法需要更多的时间，而且劳动强度更高，但它提供了IN625如何形成的更丰富，更全面的画面，揭示了“我们大部分时间都缺少的独特功能”。

该小组确定了由该工艺的热效应和机械效应产生的关键微观结构特征，包括：扭转、弯曲、碎裂、同化、振荡和树枝状生长。

研究人员预计他们的方法可以应用于其他3D打印金属，如不锈钢，钛和高熵合金，或任何具有晶体结构的材料系统。

该方法还有助于为开发更坚固的材料提供信息。例如，脉冲激光束会增加晶体内部的碎裂并减小其晶粒的尺寸，从而使材料更坚固。

“最终目标是为特定应用的特定合金提供最好的材料系统，”达斯说。“如果你知道加工过程中发生了什么，你可以选择如何处理你的材料，这样你就可以获得这些特定的功能。

这项研究得到了美国国家科学基金会（NSF）和美国能源部科学办公室的支持。研究人员利用了康奈尔材料研究和CHEXS@CHESS中心，这两个中心都得到了NSF的支持。