清華和新加坡大學研究流體流動，如何影響金屬3D打印中的枝晶生長

南極熊導讀，金屬3D打印的發(fā)展速度極快，隨著該技術的發(fā)展，人們已發(fā)現(xiàn)，晶粒結構對打印結果的各項參數(shù)有著深遠的影響。

2022年5月31日，清華大學和新加坡國立大學的研究人員，正在研究流體流動對金屬3D打印零件機械性能的影響。

△鈷釤銅合金中3D枝晶結構的SEM成像

對于激光粉末床融合等金屬3D打印技術，可控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成，對于調整最終晶粒結構至關重要。他們解釋這很重要，因為晶粒結構和晶粒尺寸對幾乎所有機械性能都有顯著影響，包括硬度、屈服強度、抗拉強度、疲勞強度和沖擊強度。

這里面有很多因素和參數(shù)會影響，3D打印中新晶粒和枝晶的形成，其中，溫度梯度和凝固速度已經(jīng)被認為是主要的決定因素。然而，根據(jù)研究人員的說法，而3D打印中流體流動的影響從未被研究過。

通過CFD模擬樹枝狀生長
冶金領域的枝晶，是典型的樹狀晶體結構，隨著熔融金屬的凝固而生長和傳播。就像晶粒尺寸一樣，枝晶生長會對金屬零件的機械性能產(chǎn)生深遠的影響。

為了研究流體流動的影響，研究團隊使用計算流體動力學(CFD)模型，來模擬流動液體熔池中枝晶的生長。該模型涵蓋了在各種溫度梯度和凝固速度下（ 0、0.2和0.4m/s流速），以實現(xiàn)全面性。為了將流體流動與枝晶生長聯(lián)系起來，團隊雙向耦合了CFD模型和多網(wǎng)格枝晶發(fā)展模型。

該團隊還利用實驗方法來補充模型，使用激光和電子束對Inconel 718樣品進行單軌測試。

隨后的數(shù)值建模過程，涉及模擬具有不同構建方向和凝固條件的，各種流動條件下的枝晶生長。此外，利用物理實驗的流場和溫度數(shù)據(jù)，對熔池尺寸的枝晶生長進行了模擬。

△CFD模擬的枝晶結構

流體流動如何影響枝晶生長？
從結果來看，熔池邊界處的溫度梯度越高，最高枝晶尖端與冷面之間的距離就越長。

模擬結果表明，流體流動和凝固速度，對金屬3D打印中枝晶和新晶粒的形成都有非常顯著的影響。效果也與傳統(tǒng)鑄造工藝中的效果相似。

該團隊相信他們的發(fā)現(xiàn)，可以為基于溫度梯度和凝固速度的成核理論提供有用的見解。最終為金屬3D打印過程中，實現(xiàn)更精細的晶粒結構（和機械性能）控制鋪平了道路。

△該研究的更多細節(jié)可以在題為“流體流動對增材制造中枝晶生長和新晶粒形成的影響”的論文中找到（點我傳送門）

△模擬枝晶XZ和YZ截面中Nb分布的比較

金屬3D打印制造領域的研究范圍廣泛而令人震驚。就在本月，來自Tallinn科技大學和 Estonian的研究人員，開了新的技術來解決3D打印可以保障磁芯效率的問題，該團隊現(xiàn)在提出了一種基于激光的3D打印工作流程，聲稱可以產(chǎn)生優(yōu)于軟磁復合材料的磁性。

在其他地方， Virginia理工大學近期與3D打印技術開發(fā)商MELD Manufacturing合作，推進了該公司的3D打印摩擦攪拌沉積技術。

隨著金屬3D打印的發(fā)展，該技術除了具備無模化可定制優(yōu)勢外，在打印效率和打印質量上相比傳統(tǒng)金屬加工工藝均有較為明顯的提升，甚至能夠完成傳統(tǒng)工藝無法制造的高復雜度高精密度零部件的打印，未來，具有無限的發(fā)展?jié)摿Α?br />