江苏激光联盟导读：

　　3D打印开辟了一个全新的可能性范围。一个例子是新型涡轮叶片的生产。但是，3D打印过程通常会在组件中引起内部应力，这在坏的情况下会导致裂纹。现在，一个研究团队已成功使用慕尼黑工业大学（TUM）研究中子源的中子对这种内部应力进行了无损检测，这是改进生产工艺的一项重要成就。

　　增材制造 (AM) 技术有望在许多工业方面取得显着进步，包括零件设计、生产灵活性以及缩短产品上市时间和废品的时间。但是，仍然需要解决几个挑战，特别是与AM的材料科学方面相关的挑战。特别对于激光粉末床熔合 (laser powder bed fusion, L-PBF) AM技术，微观结构通常是非常规的，并且生产后总是存在残余应力 (residual stress, RS) 。

　　为了评估材料的结构完整性，必须对RS进行无损评估。如今，AM零件中RS的表征主要是通过破坏性或半破坏性技术来完成的，例如轮廓法和基于桥梁原理的曲率测量方法。无损RS研究的许多示例都集中在通过实验室X射线衍射 (X-ray diffraction, XRD) 进行的表面研究上。为了测定散装RS，实验室X射线衍射需要增量去除层。该技术需要大量的样品制备并且也很费时。但是，由于同步辐射和中子衍射可以无损确定大部分AM材料中的RS分布，因此使用大型设施（即同步加速器和中子源）受到了越来越多的关注。唯一适用于毫米空间分辨率的真正三轴体RS表征的唯一无损技术是中子衍射 (neutron diffraction, ND) 。在此之前的研究人员比较了ND和轮廓方法并表明非破坏性测量与破坏性测量非常吻合。要注意的是，轮廓法的空间分辨率优于ND，但是轮廓法只能检测单向位移，因此适合单轴应力状态。

　　L-PBF作为AM方法可以生产几何复杂的结构。中子的高渗透率使ND成为唯一能够无损研究此类复杂AM结构的3D RS状态的工具。在该研究之前的科学家开始使用ND研究比长方体更复杂的形状。然而，主要应力方向是为L-PBF材料的锻造零件、轧制零件和简单长方体确定的。

　　以涡轮机叶片为例子，涡轮机叶片可以使用激光粉末床熔合来制造，使用铸造或铣削等传统制造方法无法制造出具有如此复杂结构的复杂组件。而中空涡轮叶片内部的复杂格子结构为零件提供了必要的稳定性。

　　研究人员使用研究中子源Heinz Maier-Leibnitz（FRM II）的中子研究了燃气轮机部件的内部应力。该组件由燃气轮机制造商西门子能源公司通过增材制造工艺制成。对于FRM II的中子实验，西门子能源公司使用典型的用于燃气轮机部件的镍铬合金印制了仅几毫米大小的晶格结构。有意地省略了生产后的常规热处理。

　　研究集中在由3×3×3体心立方 (body centred cubic, b.c.c.) 晶胞 (unit cells, UCs) 组成的晶格结构上。该结构的支杆直径为1 mm，支杆长度为10 mm，反映了UC室对角线的长度。因此，UC的边缘长度为5.77mm。该样品是由德国柏林天然气和电力公司的西门子股份公司生产的。一台EOS M290打印机与一组西门子专有参数一起使用（层厚度为20μm）。

　　Tobias Fritsch表示，他们想知道是否可以使用中子来检测这一复杂组件中的内部应力。他已经在柏林研究堆BER II上获得了中子测量的经验，但是该反应堆已在2019年末关闭。

　　研究人员很高兴能够在Garching的Heinz Maier-Leibnitz Zentrum中进行测量；借助STRESS-SPEC提供的设备，他们甚至能够解决如此复杂而复杂的晶格结构中的内部应力。

　　打印过程中热量分布均匀

　　既然团队已经成功检测到组件内部的内部应力，下一步就是减少这种破坏性应力。来自慕尼黑工业大学的Fritsch表示，他们知道必须修改生产过程参数，从而修改打印过程中组件的构建方式。在这里，关键因素是建立各个层时随时间推移的热量输入。在熔化过程中，热量施加的区域越多，内部应力就越大。

　　只要打印机的激光对准某个给定的点，该点的热量就会相对于相邻区域上升。这导致温度梯度，从而导致原子晶格不规则。

　　Fritsch表示，因此，我们必须在印刷过程中尽可能均匀地分配热量。将来，该小组将研究具有新组件和修改后的打印参数的情况。该团队已经与西门子合作，计划用Garching的TUM中子源计划新的测量。