[论文解读] In situ and Operando X-ray Imaging of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing

Yunhui Chen, Samuel J. Clark+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用 12

一句话总结

本研究利用原位和原位同步辐射X射线断层扫描技术，揭示了在不锈钢（SS316）和钛合金（Ti6242）定向能沉积增材制造（DED-AM）过程中熔池动力学及孔隙形成机制的根本差异。研究识别出三种关键机制——粉末烧结、润湿性降低和孔隙推动——这些机制在钛材中独特地劣化了成形质量，直接将其与工艺参数和显微结构缺陷关联起来。

ABSTRACT

The mechanical performance of Directed Energy Deposition Additive Manufactured (DED-AM) components can be highly material dependent. Through in situ and operando synchrotron X-ray imaging we capture the underlying phenomena controlling build quality of stainless steel (SS316) and titanium alloy (Ti6242 or Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo). We reveal three mechanisms influencing the build efficiency of titanium alloys compared to stainless steel: blown powder sintering; reduced melt-pool wetting due to the sinter; and pore pushing in the melt-pool. The former two directly increase lack of fusion porosity, while the later causes end of track porosity. Each phenomenon influences the melt-pool characteristics, wetting of the substrate and hence build efficacy and undesirable microstructural feature formation. We demonstrate that porosity is related to powder characteristics, pool flow, and solidification front morphology. Our results clarify DED-AM process dynamics, illustrating why each alloy builds differently, facilitating the wider application of additive manufacturing to new materials.

研究动机与目标

• 理解不同材料在DED-AM中熔池动力学与缺陷形成所依赖的基本物理机制。
• 解决DED-AM中工艺-结构-性能关系缺乏基础性洞见的问题，特别是针对高价值合金如Ti6242。
• 阐明为何钛合金在DED-AM中表现出更高的孔隙率和更低的成形效率，相较于不锈钢。
• 将粉末特性、熔池流动行为与凝固前沿形貌关联至孔隙形成及显微结构质量。
• 通过揭示实时原位现象，实现面向新材料的DED-AM工艺数据驱动优化。

提出的方法

• 在钻石光源（Diamond Light Source）的I12 JEEP束线，采用第三代同步辐射源进行时间分辨的原位与原位X射线断层扫描。
• 在工业规模的DED-AM系统上对SS316和Ti6242进行实验，捕捉多层成形过程中的高速（200 fps）X射线图像。
• 从断层扫描图像中测量熔池几何参数（长度、深度、体积），SS316的体积按椭球冠计算，Ti6242则根据形状估算。
• 利用时序断层扫描图像和补充视频分析动态现象，包括粉末烧结、熔池流动和孔隙运动。
• 将激光功率密度、扫描速度和粉末送进速率与观测到的熔池行为及缺陷形成相关联。
• 利用高空间和时间分辨率X射线成像穿透光学不透明的金属样品，实现实时可视化瞬态现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SS316与Ti6242的DED-AM中，主导熔池形成与演化过程的物理机制是什么？
• RQ2 喷射粉末的烧结如何影响钛合金在DED-AM中熔池润湿性及未熔合孔隙的形成？
• RQ3 轨迹末端孔隙的成因是什么？其与熔池流动和孔隙动力学有何关联？
• RQ4 粉末特性与工艺参数如何影响DED-AM中孔隙形成与凝固前沿形貌？
• RQ5 为何钛合金在DED-AM中表现出更低的成形效率和更高的缺陷率？其根本机制是什么？

主要发现

• 在Ti6242中，喷射粉末的烧结发生在熔池前方和后方，直接导致未熔合孔隙的形成，这一现象在SS316中未被观测到。
• 由于烧结粉末层导致的熔池润湿性降低，显著降低了钛合金的成形质量，增加了孔隙率并削弱了层间结合。
• Ti6242中的孔隙被熔池对流主动推动，导致轨迹末端孔隙的形成，这是一种在SS316中未观察到的独立机制。
• SS316的熔池体积在测试参数范围内为0.49至4.8 mm³，熔池长度和深度分别在1832–3000 µm和447–1187 µm之间变化。
• 对于Ti6242，熔池长度在148–576 µm之间，深度在18–189 µm之间，其复杂的双峰形貌导致体积估算不准确。
• SS316中的气孔通过聚集粉末颗粒的卷入形成，时间序列断层扫描图像中的孔隙流动轨迹揭示了这一机制。