3D打印金屬粉末再利用是否影響拉伸和疲勞特性？NASA HR-1高強度合金測試案例
3D打印促進循環經濟體現在幾個方面：材料的可重復利用，材料健康，可再生能源及碳排放管理，水資源管理，社會公平。那么金屬3D打印過程中的回收粉末是否會影響零件的機械性能，會不會影響粉末流動性，是否改變零件的微觀結構，是否改變拉伸和疲勞特性？本期，3D科學谷通過NASA HR-1粉末測試案例來洞悉3D打印金屬粉末再利用的學問。
NASA 增材制造的火箭推力室噴管
© NASA
可持續發展的制造
NASA HR-1是NASA在1990年代開發，主要用于液態氫火箭發動機制造，暴露于正常情況下高壓氫環境，根據3D科學谷《深度剖析NASA采用多合金增材制造和復合材料實現輕質可重復使用的推力室組件》一文，除了鈦基或鎳基合金，NASA的HR-1是用于高溫操作環境下（例如液體火箭推力室的噴射器）的高強度合金，適用于多種3D打印-增材制造技術。該合金具有適用于高壓氫環境的特性組合，包括耐腐蝕，同時保持了足夠的強度和延展性。此外，NASA HR-1的高熱導率和出色的低循環疲勞性能使該材料更適合這種惡劣的環境。
航空航天增材制造金屬材料
© 3D科學谷白皮書
根據3D科學谷《零件數量減少了 10 倍以上，NASA火箭發動機的多合金和多工藝增材制造》一文，NASA 與行業合作伙伴共同推進了激光粉末定向能量沉積 (LP-DED) 增材制造工藝，制造了直徑超過1 米的復雜薄壁內部通道幾何形狀的噴管。在短短 90 天內，RAMPT 項目打印出了 NASA 利用 LP-DED 激光粉末定向能量沉積3D打印工藝生產的最大增材制造噴嘴之一，其中包括 1,000 多個內部通道，直徑為 1.5 m，高度為 1.8 m。在這個過程中，使用了HR-1合金。
激光粉末定向能量沉積 (LP-DED) 增材制造工藝的幾何分辨率和構建速率與熔體池的尺寸相關，而熔體池的大小又由激光功率和點尺寸控制。例如，在制造精美的特征（例如薄壁）時，需要小型熔池；而在需要高的構建速率時需要大熔體池。但是，由于使用較小的熔體池，低至5％與正常沉積條件下的40％–80％相比，將產生大量的多余粉末。在這種情況下，通常會回收粉末，用于隨后的3D打印沉積過程。在這里，粉末再利用對LP-DED制造零件疲勞性能的影響尤其令人感興趣。
但是，再生粉末通常與新粉末狀態具有不同的特征。例如，由于在激光粉末定向能量沉積 (LP-DED) 期間重復使用合金，包括10次重復使用后的Ti-6Al-4V，在10次重復使用后，PSD粒度分布和其他粉末特性的變化可能會導致制造零件的微觀/缺陷結構和機械性能的構建變化。
粉末的重復利用
每次3D打印后，收集了額外的粉末，使用網眼篩分振動性篩子，并重新用于下一次迭代，在制造之前，對每次迭代的粉末進行了采樣。使用Freeman Technology FT4粉末變性儀對這些樣品進行分析，以表征粉末的流動行為。每個粉末樣品至少評估三次以驗證結果。通過靜態圖像分析，通過Malvern形態G3SE分析儀測量了每批次粉末及其形態方面的PSD及其形態學（包括圓形性和伸長率）。還根據ASTM B213評估粉末流動性，以獲得霍爾流量（HFR）。最后，使用電感耦合等離子體（ICP）方法確定的氧含量。
3D打印的零件經過熱處理后，進行疲勞和拉伸測試，通過Zeiss Crossbeam 550掃描電子顯微鏡（SEM）研究了裂縫表面，以鑒定疲勞裂紋起始位點和拉伸裂縫機制。還將同一顯微鏡與牛津電子反向散射衍射（EBSD）檢測器一起使用，以表征材料的顯微結構。
重復使用NASA HR-1粉末的影響
粉末再利用的 LP-DED NASA HR-1 樣本中的 O 濃度。結果以百萬分率 (ppm) 報告。
對于所有粉末再利用條件，微觀結構幾乎相似。沒有發現柱狀晶粒和樹突狀微觀結構的跡象（即存在低角度晶界和刻內差異），這可以通過使用的熱處理可以去除。
研究發現，粉末再利用不影響LP-DED增材制造的NASA HR-1樣品的疲勞性能。這種行為可以通過零件的類似微觀結構來解釋，粉末特性的變化會影響流動性，但是，NASA HR-1粉末的流變特性，因并未隨著重復使用而發生明顯變化。
總之，NASA HR-1（含回收粉末）通過激光粉末定向能量沉積（LP-DED）增材制造工藝所制造的所有樣品的相對密度高于99.997％。熱處理減少了材料各向異性，顯示樣品的微結構和晶粒尺寸分布沒有影響。
對于NASA HR-1合金粉末來說，盡管連續重復使用NASA HR-1粉末略微減少粉末中細顆粒的數量并增加了平均粒徑，但粉末流變特性的變化可以忽略不計。所有重復使用條件之間粉末流動的相似性導致表面粗糙度，缺陷的大小和空間分布以及微觀結構沒有變化，因此在拉伸和疲勞性質上沒有差異。
(責任編輯：admin)
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