《Nature》子刊：原位中子衍射揭示3D打印中受控應(yīng)變演化的機(jī)制！

來(lái)源： 增材在線

殘余應(yīng)力會(huì)影響大多數(shù)制成品的性能和可靠性，并且在鑄造、焊接和增材制造（AM、3D打印）中普遍存在。殘余應(yīng)力與瞬態(tài)熱應(yīng)力產(chǎn)生的塑性應(yīng)變梯度相關(guān)。增材制造中復(fù)雜的熱條件會(huì)產(chǎn)生類似的復(fù)雜殘余應(yīng)力模式。然而，使用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量工藝對(duì)應(yīng)力演變的影響。

近日，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與田納西大學(xué)諾克斯維爾分校研究團(tuán)隊(duì)合作在《nature communications》（中科院1區(qū)，Top，影響因子16.6）發(fā)表最新研究成果“Operando neutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3D printing”，使用原位中子衍射來(lái)表征低溫轉(zhuǎn)變鋼增材制造過(guò)程中的瞬態(tài)相變和晶格應(yīng)變演化。

結(jié)合衍射、紅外和模擬數(shù)據(jù)表明，彈性和塑性應(yīng)變分布是由面心立方和體心立方相界的運(yùn)動(dòng)控制的。該研究為設(shè)計(jì)增材制造部件中的殘余應(yīng)力狀態(tài)和性能分布提供了一條新途徑。這些發(fā)現(xiàn)將能夠控制殘余應(yīng)力分布，從而實(shí)現(xiàn)提高疲勞壽命或抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等優(yōu)點(diǎn)。

圖1. A 采用線弧增材制造技術(shù)生產(chǎn)低碳鋼和低溫轉(zhuǎn)變(LTT250)鋼樣品。樣品分為三個(gè)部分并在其間冷卻至室溫。B 非原位中子衍射測(cè)量（在HFIR處收集）顯示彈性晶格應(yīng)變隨中心線高度的變化。C 構(gòu)建了操作增材制造裝置，用于監(jiān)測(cè)SNS加工過(guò)程中的溫度、相變和晶格應(yīng)變。D 膨脹測(cè)量數(shù)據(jù)顯示了增材制造LTT鋼的近似相變溫度。E 操作實(shí)驗(yàn)程序示意圖，包括三個(gè)部分的構(gòu)建，中間使用主動(dòng)冷卻冷卻至室溫，然后繪制晶格應(yīng)變圖。

圖2. 在LTT鋼制造過(guò)程中，在A 階段1、B 階段2和 C 階段3期間使用紅外(IR)熱成像技術(shù)測(cè)量溫度分布隨時(shí)間的變化，在此期間樣品冷卻至室溫（規(guī)模為1 cm）。在相關(guān)構(gòu)建部分的制造過(guò)程中，在指定點(diǎn)收集時(shí)間分辨中子衍射數(shù)據(jù)。D 階段1期間第1點(diǎn)的中子衍射數(shù)據(jù)顯示沉積期間出現(xiàn)FCC峰值，以及階段1完成后冷卻期間形成BCC。在 E 階段2 和 F 階段3制造期間的同一點(diǎn)，溫度沒(méi)有充分升高，將BCC轉(zhuǎn)換回FCC。G 構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)的示意圖顯示了中子數(shù)據(jù)收集相對(duì)于構(gòu)建部分的位置；對(duì)于H階段2的第2點(diǎn)和I階段3的3點(diǎn)，觀察到與點(diǎn)1相似的趨勢(shì)，其中材料最初固化為FCC，并在冷卻開(kāi)始后轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC。所有衍射數(shù)據(jù)均以任意標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度單位顯示。

圖3. 殘余應(yīng)力的演變?nèi)�決于多個(gè)構(gòu)建部分沉積過(guò)程中的加熱、冷卻和再加熱。在初始沉積時(shí)，F(xiàn)CC到BCC形成過(guò)程中的膨脹會(huì)在沉積物中產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，并在基底中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。在再加熱過(guò)程中，會(huì)形成FCC/BCC界面，在該界面處，冷卻時(shí)的差異CTE和FCC到BCC的轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生局部壓縮/拉伸應(yīng)變模式。此外，在界面下方重新加熱BCC會(huì)產(chǎn)生退火效應(yīng)，從而軟化材料。

論文引用
Plotkowski, A., Saleeby, K., Fancher, C.M. et al. Operando neutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3D printing. Nat Commun 14, 4950 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40456-x