科学家们已经证明，利用中子观察原子水平上的增材制造过程，他们可以测量材料演变过程中的应变，并跟踪原子如何响应应力而移动。
汽车、航空航天、清洁能源和模具行业——任何需要复杂和高性能零件的行业——都可以使用增材制造，”ORNL材料科学与技术部门的材料科学家、该实验的首席科学家亚历克斯·普洛特科夫斯基说。Plotkowski和他的同事在《自然通讯》上发表了他们的发现。
ORNL的科学家们开发了OpeN-AM，这是一个3D打印平台，可以在ORNL的散裂中子源(SNS)(能源部科学办公室用户设施)上使用VULCAN光束线测量制造过程中不断变化的残余应力。
当与红外成像和计算机建模相结合时，该系统可以前所未有地了解制造过程中的材料行为。
在这种情况下，他们使用低温转化，或LTT，钢，物理测量原子如何响应压力，无论是温度还是负载，使用OpeN-Am平台。
残余应力是即使在载荷或应力的原因被消除后仍然存在的应力;它们会使材料变形，或者更糟的是，使材料过早失效。这种应力是制造具有理想特性和性能的精确部件的主要挑战。
科学家们构思并在两年的时间里制作了这个实验，可以测量材料在演变过程中的应变，这决定了应力将如何分布。
“制造商将能够在其组件中定制残余应力，增加其强度，使其更轻，形状更复杂。这项技术可以应用于任何你想要制造的东西，”普罗特科夫斯基说。
他说:“我们已经成功地表明，有办法做到这一点。”“我们正在证明，我们能够理解一个案例中的联系，从而预测其他案例。”
科学家们使用了一个定制的线弧增材制造平台，在SNS上对LTT金属进行了所谓的operando中子衍射。利用SNS的VULCAN光束线，他们对钢材进行了处理，并记录了制造过程中各个阶段以及冷却至室温后的数据。
他们结合衍射数据和红外成像来证实结果。该系统是在制造示范设施(MDF)设计和建造的，该设施是美国能源部先进材料和制造技术办公室用户联盟，该平台的复制系统也被构建，用于在光束线执行之前规划和测试实验。
SNS操作一个线性粒子加速器，产生中子束，在原子尺度上研究和分析材料。他们开发的研究工具可以让科学家在材料生产过程中窥视材料内部，实时观察其工作机制。
LTT钢被熔化并分层沉积。当金属凝固和冷却时，其结构发生相变。当这种情况发生时，原子重新排列并占据不同的空间，材料的行为就不同了。
通常，如果只观察加工后的材料，很难理解高温下发生的转变。通过观察LTT钢的加工过程，科学家们的实验表明他们可以理解和操纵相变。
Plotkowski说:“我们想了解这些压力是什么，解释它们是如何产生的，并找出控制它们的方法。”
作者写道:“这些结果为增材制造部件内设计理想的残余应力状态和性能分布提供了新的途径，通过使用过程控制来改善关键相变温度周围热梯度的不均匀时空变化。”
普罗特科夫斯基希望世界各地的科学家来ORNL做类似的实验，用他们想要用于制造业的金属。
更多信息:A. Plotkowski等人，Operando中子衍射揭示了3D打印中受控应变演化的机制，Nature Communications(2023)。DOI: 10.1038/s41467-023-40456-x
由橡树岭国家提供
部分实验室
引用:中子在3d打印部件中看到应力，推进增材制造(2023,10月16日)，检索自https://techxplore.com/news/2023-10-neutrons-stress-3d-printed-advancing-additive.html
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