Udforskning af fordelene ved defekter i laserfremstillede materialer

Metal additive manufacturing (AM) lover at revolutionere den måde, vi producerer og bruger visse dele på. Reducering af materialespild og arbejdstid, metal AM forenkler trinene til at skabe komplekse geometriske dele sammenlignet med konventionelle fremstillingsmetoder.

Imidlertid, hundredvis af meget små defekter (~10-50 mikrometer) kan opstå under processen, udgør en udfordring, når det kommer til at garantere tillid til produktets strukturelle ydeevne. Den tekniske virkning af disse defekter er ikke godt forstået; og, på et område, hvor certificeringer og standarder hersker, det er vanskeligt at opstille disse dele på grund af manglen på behandlingsdata og standardprotokoller.

Forskere ved Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL), i Laurel, Maryland, satte sig for bedre at forstå påvirkningen af ​​forskellige defekter på den mekaniske ydeevne af AM -materialer. I "Afdækning af den koblede indvirkning af defektmorfologi og mikrostruktur på trækadfærden af ​​Ti-6Al-4V fremstillet via laserpulverlejefusion, " offentliggjort for nylig i Journal of Materials Processing Technology, de leverer data for at hjælpe med at forstå virkningerne af fejl og muliggøre beslutningstagning.

En metode til at bygge metal AM-dele er selektiv lasersmeltning, en proces, der smelter og sammensmelter metalliske pulvere ved hjælp af laserenergi. "Laserpulverbedfusion er en dominerende additiv fremstillingsteknologi, som endnu ikke har nået sit potentiale, " sagde den tilsvarende forfatter Steven Storck, en maskiningeniør i APL's Research and Exploratory Development Department (REDD). "Problemet er, at der nogle gange dannes små bobler eller porer under udskrivningsprocessen, og disse porer skaber usikkerhed i styrke eller ydeevne i områder af de færdige produkter."

Der er to naturlige typer forarbejdningsfejl:manglende fusion og nøglehul. Førstnævnte opstår, når der ikke er nok energi til helt at smelte metalpulverlejet; nøglehulsdefekter opstår, når overdreven energitæthed danner en flydende dynamisk ustabilitet i det smeltede pulverleje. Da energitætheden afviger over eller under de optimale niveauer, mængden og størrelsen af ​​defekterne stiger.

Storck, sammen med REDD medforfattere Timothy Montalbano, Salahudin Nimer, Christopher Peitsch, Joe Sopcisak og Doug Trigg, og Brandi Briggs og Jay Waterman fra Naval Air Warfare Center Aircraft Division, bevidst indført begge typer defekter i prøver for at bestemme, hvordan de påvirker delenes mekaniske egenskaber.

Resultaterne viste, at mens høje mængder af hver type defekt er ugunstige, det er mere fordelagtigt at være i nøglehulsdomænet - ved en lignende koncentration af defekter - end i manglen på fusionsdomæne. Holdet opdagede også, at mikrostrukturel raffinement omkring en nøglehulsdefekt kan modvirke den svækkende effekt af defekten. Selv op til 4-5 % porøsitet i nøglehulsdomænet resulterer i samme flydespænding som en del med ubetydelig porøsitet, en målemetrik mange mekaniske ingeniører bruger til at designe dele.

"Vi modificerede laserbehandlingsbetingelserne for at simulere naturlige fejl i processen og genererede tre lignende mængder af defekter i nøglehullet og mangel på fusionsdomæner, Storck forklarede. vi scannede og kvantificerede materiale fra hver behandlingstilstand ved hjælp af røntgencomputertomografi for at kortlægge defektens størrelse og fordeling, og sammenlignede prøver indeholdende disse resulterende defekter i monoton spændingstest for at bestemme det foretrukne defektdomæne for en given mængde defekter. "

Denne forskning var en del af APL's igangværende indsats med Naval Air Systems Command for at forstå virkningerne af defekter i additiv fremstilling. "Vores nuværende forskning bruger nu denne opdagelse kombineret med maskinlæring til at omskrive den måde, vi behandler materialer med lasersmeltning på, "Sagde Storck.

"Dette arbejde er et kritisk skridt i at lægge grundlaget for at muliggøre kvalificering af AM-dele i fremtiden, "tilføjede Morgan Trexler, der administrerer REDD's Science of Extreme and Multifunctional Materials-program. "En generel forståelse af indflydelsen af ​​virkningerne af procesbetingelser på den resulterende mikrostruktur og egenskaber af et materiale og en komponent vil give det videnskabelige grundlag for at muliggøre protokoller for sikker implementering af additivt fremstillede dele."