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(diào)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�,；�可定制��(yōu)勢外，在打印效率和打印質(zhì)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 />