清華大學(xué)和新加坡國立大學(xué)的研究人員正在研究流體流動(dòng)對金屬3D打印零件機(jī)械性能的影響。對于激光粉末床融合等金屬增材制造技術(shù)，仔細(xì)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(jié)構(gòu)至關(guān)重要
。這很重要，因?yàn)榫Я＝Y(jié)構(gòu)和晶粒尺寸對幾乎所有機(jī)械性能都有顯著影響
，包括硬度
、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度
、疲勞強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度
。
有很多因素和參數(shù)會(huì)影響3D打印中新晶粒和枝晶的形成，但溫度梯度和凝固速度已經(jīng)被認(rèn)為是主要的決定因素。然而
，據(jù)研究人員稱，尚未研究
3D打印部件熔池中流體流動(dòng)的影響 。
鈷釤銅合金中3D打印枝晶結(jié)構(gòu)的SEM成像 。圖片來自劍橋大學(xué)。
冶金領(lǐng)域的枝晶是典型的樹狀晶體結(jié)構(gòu) ，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(huì)對金屬零件的機(jī)械性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響
。為了研究流體流動(dòng)的影響
，研究團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)
(CFD)模型來模擬流動(dòng)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的0 、
0.2和0.4 m/s流速 ，以實(shí)現(xiàn)全面性。為了將流體流動(dòng)與枝晶生長聯(lián)系起來
，團(tuán)隊(duì)雙向耦合了
CFD模型和多網(wǎng)格枝晶發(fā)展模型。
CFD模擬的枝晶結(jié)構(gòu)。圖片來自清華大學(xué)。
流體流動(dòng)如何影響枝晶生長？
從結(jié)果來看，熔池邊界處的溫度梯度越高，最高枝晶尖端與零過冷平面之間的距離就越長
。模擬結(jié)果表明，流體流動(dòng)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
。總結(jié)這項(xiàng)工作
，該研究的作者相信他們的發(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
。這最終為金屬
3D打印過程中更精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)（和機(jī)械性能）控制鋪平了道路。
模擬枝晶XZ和YZ截面中Nb分布的比較。圖片來自清華大學(xué)。
金屬增材制造領(lǐng)域的研究范圍廣泛而令人震驚。就在本月，來自塔林科技大學(xué)和愛沙尼亞生命科學(xué)大學(xué)的研究人員調(diào)查了使用
3D打印技術(shù)生產(chǎn)軟磁芯的情況。雖然迄今為止由于難以保持磁芯效率
，磁芯的打印一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，但該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在提出了一種基于激光的增材制造工作流程
，他們聲稱該工作流程可以產(chǎn)生優(yōu)于軟磁復(fù)合材料的磁性
。
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