Исследователи из Корнелла применили новый подход к изучению того, как микроструктура возникает в металлическом сплаве, напечатанном на 3D-принтере: они бомбардировали его рентгеновскими лучами во время печати материала.
Увидев, как процесс термомеханической деформации создает локальные микромасштабные явления, такие как изгиб, фрагментация и колебания, в режиме реального времени, исследователи смогут производить индивидуальные материалы, обладающие такими характеристиками, повышающими производительность.
Статья группы « Режимы дендритной деформации в аддитивном производстве, выявленные с помощью рентгеновской дифракции Operando » опубликована в журнале Communications Materials. Ведущий автор – докторант Адрита Дасс.
«Мы всегда смотрим на эти микроструктуры после обработки, но при проведении только посмертных характеристик вы упускаете много информации. Теперь у нас есть инструменты, позволяющие наблюдать за этими микроструктурными изменениями по мере их возникновения», — сказал Атье Мориди, ассистент. профессор Школы машиностроения и аэрокосмической техники Сибли Корнеллского машиностроительного университета и старший автор статьи.
«Мы хотим понять, как формируются эти крошечные узоры или микроструктуры, поскольку они определяют все характеристики печатных деталей».
Группа сосредоточилась на форме 3D-печати, при которой порошок — в данном случае суперсплав на основе никеля IN625, широко используемый в аддитивном производстве и аэрокосмической промышленности — наносится через сопло и расплавляется мощным лазерным лучом, а затем охлаждается и затвердевает.
Поскольку получить доступ к высокоэнергетическим рентгеновским лучам в лаборатории невозможно, исследователи создали портативный двойник своей установки для 3D-печати и привезли его в Центр рентгеновских наук высоких энергий в Корнеллском синхротронном источнике высоких энергий ( CHEXS@CHESS), в лаборатории Вильсона.
Центр никогда раньше не проводил такого рода эксперименты по 3D-печати, поэтому ученый CHESS Даррен Пэган, ныне доцент Университета штата Пенсильвания, работал с исследователями над интеграцией установки принтера в одну из экспериментальных камер объекта. Команда CHESS также разработала важные протоколы безопасности при работе с мощным лазером вместе с легковоспламеняющимися порошками.
Во время эксперимента на линии FAST сфокусированный рентгеновский луч направлялся в камеру, где он проходил через IN625 при нагревании, плавлении и охлаждении. Детектор на другой стороне принтера фиксировал картины дифракции, возникающие в результате взаимодействия рентгеновских лучей с материалом.
«То, как формируются эти дифракционные картины, дает нам много информации о структуре материала. Это микроструктурные отпечатки пальцев, которые фиксируют историю материала во время обработки», — сказал Мориди. «В зависимости от взаимодействия и того, что его вызвало, мы получаем разные закономерности, и на основе этих закономерностей мы можем рассчитать структуру материала».
Обычно исследователи пытаются объединить объем данных дифракции, чтобы проанализировать их. Но Мориди, Дасс и докторант и соавтор Чэньси Тянь взяли на себя более сложную задачу и изучили необработанные изображения детектора. Хотя этот подход потребовал больше времени и был более трудоемким, он позволил получить более полную и целостную картину того, как формировался IN625, раскрыв «уникальные функции, которые большую часть времени нам не хватает», — сказал Мориди.
Группа определила ключевые микроструктурные особенности, которые были созданы термическими и механическими воздействиями процесса, в том числе: скручивание, изгиб, фрагментация, ассимиляция, колебания и междендритный рост.
Исследователи ожидают, что их метод может быть применен к другим металлам, напечатанным на 3D-принтере, таким как нержавеющая сталь, титан и высокоэнтропийные сплавы, или к любой системе материалов с кристаллической структурой.
Этот метод также может помочь в разработке более прочных материалов. Например, импульсное воздействие лазерного луча увеличит фрагментацию внутри кристалла и уменьшит размер его зерен, делая материал более прочным.
«Конечная цель — создать лучшую систему материалов, которую мы можем иметь для этого конкретного сплава и для конкретного применения», — сказал Дасс. «Если вы знаете, что происходит во время обработки, вы можете выбрать, как обрабатывать ваши материалы, чтобы получить те конкретные функции».
