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激光粉末床融合(Laser powder bed fusion，LPBF)技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，為鎳鈦形狀記憶合金的快速制造或成型提供了一種有效而高效的方法。這種技術(shù)類似于聚合物3D打印，使用激光一層一層地熔化金屬或合金粉末。通過重復(fù)這種分層操作，掃描相同或不同的圖案，直到形成所需的結(jié)構(gòu)。
近年來，激光粉末床融合已經(jīng)成為了一種在制造業(yè)中頗具潛力的3D打印技術(shù)，并且在生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用很有吸引力。今天，維科網(wǎng)·激光為大家分享兩則激光粉末床融合技術(shù)領(lǐng)域的新進(jìn)展：
激光粉末床融合技術(shù)制造的超彈性形狀記憶合金
激光粉末床融合技術(shù)在制造具有復(fù)雜幾何形狀的鎳鈦形狀記憶合金時總是能大展身手。不過，它卻很少表現(xiàn)出使用鎳鈦形狀記憶合金特定應(yīng)用所需的超彈性(superelasticity)。在3D打印過程中產(chǎn)生的缺陷和施加在材料上的變化，讓3D打印鎳鈦難以擁有超彈性。
日前，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University，TAMU)的研究人員通過激光粉末床融合技術(shù)制造了一種形狀記憶合金。神奇的是，這種合金展示了“卓越的拉伸超彈性”，幾乎是已有文獻(xiàn)中報道的3D打印最大超彈性的兩倍。
由于鎳鈦形狀記憶合金能夠在加熱或去除施加的應(yīng)力后恢復(fù)到原來的形狀，因此它能夠適用于各種應(yīng)用，比如用于生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的支架、植入物、外科設(shè)備和飛機(jī)機(jī)翼。
該論文的第一作者Lei Xue博士指出：“形狀記憶合金是一種能記憶高溫形狀的智能材料。盡管這類合金可以以多種方式使用，但將其制造成復(fù)雜的形狀需要進(jìn)行微調(diào)，以確保材料表現(xiàn)出所需的性能。”
大多數(shù)鎳鈦材料無法承受目前的激光粉末床熔接工藝，這往往會導(dǎo)致印刷缺陷，如因熱梯度大而產(chǎn)生的氣孔、翹曲或分層，以及因氧化而產(chǎn)生的脆性。此外，激光可以改變材料的成分，因?yàn)榇蛴∵^程中會發(fā)生蒸發(fā)。
為了克服這個問題，研究人員使用了他們在之前的研究中創(chuàng)建的優(yōu)化框架，該框架可以確定最佳工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)無缺陷結(jié)構(gòu)。研究人員制造的鎳鈦零件在沒有制造后熱處理的情況下，在室溫下保持了6%的拉伸超彈性。這種超彈性水平幾乎是在以往文獻(xiàn)中記錄的3D打印合金的兩倍。
通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)形狀記憶合金的能力以及提升的超彈性，意味著這種材料更有能力處理應(yīng)用變形。使用3D打印來開發(fā)這些優(yōu)質(zhì)材料，將減少制造過程的成本和時間。
未來，研究人員希望他們的發(fā)現(xiàn)將帶來鎳鈦形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用的更多使用。Lei Xue博士補(bǔ)充稱：“如果我們可以調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，這些形狀記憶合金的應(yīng)用將會多得多。”
這項(xiàng)研究由美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、國家優(yōu)先研究計(jì)劃撥款、卡塔爾國家研究基金和美國國家科學(xué)基金會撥款資助，成果發(fā)表在本月的《材料學(xué)報》(Acta Materialia)上。
激光超聲波檢測LPBF金屬3D打印中產(chǎn)生的缺陷
激光粉末床融合這一領(lǐng)域近期獲得的進(jìn)展還不止于此。近日，Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)研究人員提出了一種利用表面聲波(SAW)的診斷方法，該方法由基于激光的超聲產(chǎn)生，可以揭示激光粉末床熔合金屬3D打印中的微小表面和亞表面缺陷。
研究團(tuán)隊(duì)稱，他們開發(fā)的系統(tǒng)可以有效、準(zhǔn)確地評估激光在激光粉末床熔合3D打印過程中液化金屬粉末的軌跡。通過散射來自熔體線、空洞和表面特征的聲波能量，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測、更快地獲取和處理數(shù)據(jù)。研究小組使用光學(xué)顯微鏡和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)驗(yàn)證了這一發(fā)現(xiàn)。
根據(jù)研究人員的說法，由于它們的表面和近表面靈敏度，SAW非常適合于在激光粉末床融合3D打印中表征熔體線。為了測試這種潛力，LLNL團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，讓光纖激光器直接進(jìn)入真空室并產(chǎn)生激光熔化線，并使用100瓦、150瓦和350瓦的功率激光器生產(chǎn)鈦合金樣品然后進(jìn)行分析。之后，他們開發(fā)了一種產(chǎn)生和探測表面聲波的方法，使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波，并用光折變激光干涉儀測量位移。
這項(xiàng)工作由實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與發(fā)展(LDRD)項(xiàng)目資助，相關(guān)論文近期發(fā)表在《科學(xué)報告》(Scientific Reports)上。
浙公網(wǎng)安備 33010602000006號
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