X射线揭示3D打印合金的微观结构指纹

康奈尔大学的研究人员采用了一种新颖的方法来探索3D打印金属合金中微观结构的形成方式：他们在打印材料时用X射线对其进行轰击。

通过观察热机械变形过程如何实时产生局部微尺度现象，例如弯曲、破碎和振荡，研究人员将能够生产出具有此类性能增强特性的定制材料。

该小组的论文“OperandoX射线衍射揭示增材制造中的树枝状变形模式”发表在《通讯材料》上。主要作者是博士生阿德里塔·达斯(AdritaDass)。

“我们总是在处理后观察这些微观结构，但仅进行事后表征会丢失很多信息。现在我们拥有工具能够观察这些微观结构的演变，”助理AtiehMoridi说道。康奈尔大学工程学院西布利机械与航空航天工程学院教授，​​也是该论文的资深作者。

“我们希望能够了解这些微小图案或微观结构是如何形成的，因为它们决定了打印部件性能的一切。”

该小组专注于一种3D打印形式，其中粉末(在本例中为镍基高温合金IN625，广泛用于增材制造和航空航天工业)通过喷嘴施加并被高功率激光束熔化，然后冷却并凝固。

由于在实验室中获取高能X射线是不可行的，研究人员创建了3D打印装置的便携式双胞胎，并将其带到康奈尔大学高能同步加速器源的高能X射线科学中心(CHEXS@CHESS)，在威尔逊实验室。

该设施以前从未进行过此类3D打印实验，因此CHESS光束线科学家、现任宾夕法尼亚州立大学助理教授DarrenPagan与研究人员合作，将打印机设置集成到该设施的一个实验室中。CHESS团队还制定了操作高功率激光器和易燃粉末的重要安全协议。

在FAST光束线的实验过程中，聚焦的X射线束被发送到小屋中，并在加热、熔化和冷却时穿过IN625。打印机另一侧的探测器捕获X射线与材料相互作用产生的衍射图案。

“这些衍射图案的形成方式为我们提供了有关材料结构的大量信息。它们是捕获材料在加工过程中历史的微观结构指纹，”莫里迪说。“根据相互作用及其原因，我们得到不同的模式，从这些模式中，我们可以反向计算材料的结构。”

通常，研究人员会尝试合并大量衍射数据以进行分析。但莫里迪、达斯和博士生兼合著者田晨曦承担了更具挑战性的任务，研究了原始探测器图像。莫里迪说，虽然这种方法需要更多时间并且更加耗费人力，但它提供了关于IN625形成过程的更丰富、更全面的信息，揭示了“我们大多数时候都忽略的独特特征”。

该小组确定了该过程的热效应和机械效应产生的关键微观结构特征，包括：扭转、弯曲、破碎、同化、振荡和枝晶间生长。

研究人员预计他们的方法可以应用于其他3D打印金属，例如不锈钢、钛​​和高熵合金，或任何具有晶体结构的材料系统。

该方法还可以帮助开发更坚固的材料。例如，脉冲激光束会增加晶体内部的碎片并减小其晶粒的尺寸，从而使材料更坚固。

“最终目标是为特定应用的特定合金提供最好的材料系统，”达斯说。“如果您知道加工过程中发生了什么，您就可以选择如何加工材料，从而获得这些特定功能。”