Используя нейтроны, чтобы увидеть процесс аддитивного производства на атомном уровне, ученые показали, что они могут измерять деформацию материала по мере его развития и отслеживать, как атомы движутся в ответ на напряжение.
Автомобильная, аэрокосмическая, экологически чистая энергетика , производство инструментов и штампов — любая отрасль, которая нуждается в сложных и высокопроизводительных деталях — может использовать аддитивное производство», — сказал Алекс Плотковски, ученый-материаловед отдела материаловедения и технологий ORNL и ведущий научный сотрудник Плотковски и его коллеги сообщили о своих выводах в журнале Nature Communications.
Ученые ORNL разработали OpeN-AM , платформу для 3D-печати, которая может измерять развивающееся остаточное напряжение во время производства , используя луч VULCAN в источнике расщепительных нейтронов ORNL или SNS, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики.
В сочетании с инфракрасной визуализацией и компьютерным моделированием эта система обеспечивает беспрецедентное понимание поведения материала во время производства.
В этом случае они использовали низкотемпературную трансформацию стали, или LTT, физически измеряя, как атомы движутся в ответ на стресс, будь то температура или нагрузка, с помощью платформы OpeN-Am.
Остаточные напряжения — это напряжения, которые остаются даже после устранения нагрузки или причины напряжения; они могут деформировать материал или, что еще хуже, привести к его преждевременному выходу из строя. Такие напряжения представляют собой серьезную проблему для изготовления точных компонентов с желаемыми свойствами и производительностью.
Ученые задумали и в течение двух лет провели эксперимент, который позволит измерить деформацию материала по мере его развития и определить, как будут распределяться напряжения.
«Производители смогут адаптировать остаточное напряжение в своих компонентах, увеличивая их прочность, делая их легче и придавая им более сложные формы. Эту технологию можно применять к чему угодно, что вы захотите изготовить», — сказал Плотковски.
«Мы успешно показали, что есть способ сделать это», — сказал он. «Мы демонстрируем, что понимаем связи в одном случае, чтобы предвидеть другие случаи».
Ученые использовали специальную платформу для аддитивного производства проволокой и дугой, чтобы выполнить в SNS так называемую операндо-дифракцию нейтронов на LTT-металле. Используя луч VULCAN от SNS, они обработали сталь и записали данные на различных этапах производства и после охлаждения до комнатной температуры.
Они объединили данные дифракции с инфракрасными изображениями для подтверждения результатов. Система была спроектирована и построена в Демонстрационном центре производства, или MDF , консорциуме пользователей Управления передовых материалов и производственных технологий Министерства энергетики США, где также была создана копирующая система платформы для планирования и тестирования экспериментов перед их выполнением на линии луча.
SNS управляет линейным ускорителем частиц, который производит пучки нейтронов для изучения и анализа материалов на атомном уровне. Разработанный ими исследовательский инструмент позволяет ученым заглядывать внутрь материала в процессе его производства, буквально наблюдая за работающими механизмами в режиме реального времени.
Сталь LTT расплавлялась и наносилась слоями. По мере затвердевания и охлаждения металла его структура трансформировалась, что называется фазовым превращением. Когда это происходит, атомы перестраиваются и занимают другое пространство, а материал ведет себя по-другому.
Обычно трансформации, происходящие при высоких температурах, трудно понять, глядя на материал только после обработки. Наблюдая за сталью LTT во время обработки, эксперимент ученых показывает, что они могут понимать фазовое превращение и управлять им.
«Мы хотим понять, что это за стрессы, объяснить, как они возникли, и выяснить, как их контролировать», — сказал Плотковски.
«Эти результаты открывают новый путь для проектирования желаемых состояний остаточного напряжения и распределения свойств в компонентах аддитивного производства с использованием средств управления процессом для улучшения неравномерных пространственных и временных изменений температурных градиентов вокруг ключевых температур фазового превращения», — пишут авторы.
Плотковски надеется, что ученые со всего мира приедут в ORNL, чтобы провести аналогичные эксперименты с металлами, которые они хотели бы использовать в производстве.
