探索激光制造材料缺陷的优势

金属增材制造 (AM) 有望彻底改变我们生产和使用某些零件的方式。与传统制造方法相比，金属增材制造减少了材料浪费和劳动时间，简化了创建复杂几何零件的步骤。

然而，在此过程中可能会出现数百个非常小的缺陷(~10-50 微米)，这对保证产品结构性能的信心构成了挑战。这些缺陷的工程影响尚不清楚;而且，在认证和标准至高无上的领域中，由于缺乏处理数据和标准协议，很难部署这些部分。

位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室 (APL) 的研究人员着手更好地了解不同缺陷对 AM 材料机械性能的影响。在最近发表在材料加工技术杂志上的“揭示缺陷形态和微观结构对通过激光粉末床熔合制造的 Ti-6Al-4V 拉伸行为的耦合影响”中，他们提供了数据以帮助理解缺陷和微观结构的影响。使决策成为可能。

制造金属 AM 部件的一种方法是选择性激光熔化，这是一种使用激光能量熔化和熔化金属粉末的过程。“激光粉末床融合是一种占主导地位的增材制造技术，但尚未发挥其潜力，”通讯作者、APL 研究与探索发展部 (REDD)的机械工程师Steven Storck 说。“问题是在印刷过程中有时会形成微小的气泡或气孔，这些气孔会给成品的强度或性能带来不确定性。”

加工缺陷有两种自然类型：未熔合和锁孔。前者发生在没有足够的能量完全熔化金属粉末床时;当过高的能量密度在熔融粉末床中形成流体动力学不稳定性时，就会发生小孔缺陷。随着能量密度偏离最佳水平以上或以下，缺陷的数量和大小会增加。

Storck 与 REDD 的合著者 Timothy Montalbano、Salahudin Nimer、Christopher Peitsch、Joe Sopcisak 和 Doug Trigg 以及来自海军空战中心飞机分部的 Brandi Briggs 和 Jay Waterman 特意将这两种类型的缺陷引入样品中，以确定它们如何影响零件的机械性能。

结果表明，虽然每种类型的大量缺陷都是不利的，但与缺乏融合域相比，在锁孔域中(缺陷浓度相似)更有利。该团队还发现，锁孔缺陷周围的微观结构细化可以抵消缺陷的弱化效应。即使在小孔域中高达 4-5% 的孔隙率也会产生与孔隙率可忽略不计的零件相同的屈服强度，这是许多机械工程师用来设计零件的目标指标。

“我们修改了激光加工条件以模拟过程中的自然故障，并在锁孔和缺乏融合域中产生了三个相似数量的缺陷，”斯托克解释说。“然后，我们使用 X 射线计算机断层扫描扫描和量化来自每个加工条件的材料，以绘制缺陷尺寸和分布图，并在单调张力测试中比较包含这些结果缺陷的样品，以确定给定数量缺陷的首选缺陷域。 ”

这项研究是 APL 与海军航空系统司令部持续努力的一部分，旨在了解增材制造中缺陷的影响。“我们目前的研究现在正在使用这一发现与机器学习相结合来重写我们用激光熔化处理材料的方式，”斯托克说。

“这项工作是为未来对 AM 部件进行认证奠定基础的关键一步，”管理 REDD 极端和多功能材料科学项目的 Morgan Trexler 补充道。“对加工条件的影响对材料和部件所产生的微观结构和性能的影响的一般理解将为实现增材制造零件的安全实施协议提供科学基础。”

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