3D列印脆性材料 | 支撐設計大有門道

2021-02-24 增材製造創新設計

增材製造可以實現常規製造無法實現的零件設計自由度。但是，只有少數金屬材料能達到必要的性能指標，因此增材製造無法廣泛用於商業用途。為了列印傳統的低強度、低延展性合金，有研究者提出了一種新穎的支撐設計方法。

研究者用二元Fe-50Co脆性金屬間化合物材料為研究對象。Fe-50Co具有出色的磁性能，包括高磁導率、低矯頑力、高飽和電感，使這些合金非常適合用於各種電磁設備。然而，該合金的特點是強度極低（200-400 MPa），延展性幾乎為零（失效時最大4％的應變），這對常規工藝提出了挑戰，並限制了其應用潛力。

Fe-Co較差的機械性能被認為是從無序BCC相向有序B2相轉變的結果，這要求冷卻速度超過103 ℃/s才能抑制相轉變。研究者通過一系列支撐結構的設計，傳導列印過程中積累的熱量，實現列印零件溫度的有效控制。

圖1  三種支撐結構的拉伸應力與應變曲線。沒有支撐的試樣的延展性明顯低於有支撐的試樣。

圖2  三個拉伸試樣的顯微照片。與其他試樣相比，V1的缺陷比例最低。

圖3  常規製造和增材製造的Fe-Co合金力學性能數據：（a）屈服強度和（b）屈服強度與拉伸應變的關係。增材製造的Fe-Co合金比傳統的Fe-Co合金具有更高的強度和延展性。

圖4  V1拉伸試樣的機械性能與雷射能量密度的關係：（a）屈服強度，（b）破壞時的總應變。能量密度過大時，拉伸強度延展性急劇下降。

圖5  各種能量密度下，V1試樣的屈服強度與總應變的關係。常規的Fe-Co合金作為參考。

圖6  試棒中央的溫度隨時間變化。

圖7  20,000 s後試棒的溫度，沒有支撐的試棒顯示出更高的溫度。

通過對比圖可以發現，支撐結構並不是越多越好，合理設計很重要。

這種巧妙的支撐結構設計被證明可以大大提高傳統上低強度和低延展性的Fe-Co合金的性能。增材製造加工材料的屈服強度和延展性大大提高，與傳統的鍛造材料相比，強度提高了300％，延展性提高了一個數量級。工藝仿真表明，無支撐結構的試棒在列印過程中長時間保持較高的溫度，這可能導致更高程度的原子有序化。在帶有支撐結構的試棒中溫度通常要低得多，這表明原子無序性增加。隨著支撐結構的增加，列印成功率也得到了顯著提高。這些結果將在合金開發、性能改進、結構設計、提高列印成功率等方面具有重要的意義。

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