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【第2627】增材专栏 3D打印脆性材料支撑设计大有

2021-02-12 18:16 作者:必嬴亚洲官网 点击:

 

  增材制造可以实现常规制造无法实现的零件设计自由度。但是,只有少数金属材料能达到必要的性能指标,因此增材制造无法广泛用于商业用途。为此,有研究者提出了一种新颖的支撑设计方法,

  研究者用二元Fe-50Co脆性金属间化合物材料为研究对象。Fe-50Co具有出色的磁性能,包括高磁导率、低矫顽力、高饱和电感,使这些合金非常适合用于各种电磁设备。然而,该合金的特点是强度极低(200-400 MPa),延展性几乎为零(失效时最大4%的应变),这对常规工艺提出了挑战,并限制了其应用潜力。

  Fe-Co较差的机械性能被认为是从无序BCC相向有序B2相转变的结果,这要求冷却速度超过103 ℃/s才能抑制相转变。研究者通过一系列支撑结构的设计,传导打印过程中积累的热量,实现打印零件温度的有效控制。

  图1三种支撑结构的拉伸应力与应变曲线。没有支撑的试样的延展性明显低于有支撑的试样。

  图3 常规制造和增材制造的Fe-Co合金力学性能数据:(a)屈服强度和(b)屈服强度与拉伸应变的关系。增材制造的Fe-Co合金比传统的Fe-Co合金具有更高的强度和延展性。

  图4 V1拉伸试样的机械性能与激光能量密度的关系:(a)屈服强度,(b)破坏时的总应变。能量密度过大时,拉伸强度延展性急剧下降。

  图5 各种能量密度下,V1试样的屈服强度与总应变的关系。常规的Fe-Co合金作为参考。

  这种巧妙的支撑结构设计被证明可以大大提高传统上低强度和低延展性的Fe-Co合金的性能。增材制造加工材料的屈服强度和延展性大大提高,与传统的锻造材料相比,强度提高了300%,延展性提高了一个数量级。

  工艺仿真表明,无支撑结构的试棒在打印过程中长时间保持较高的温度,这可能导致更高程度的原子有序化。在带有支撑结构的试棒中温度通常要低得多,这表明原子无序性增加。随着支撑结构的增加,打印成功率也得到了显着提高。这些结果将在合金开发、性能改进、结构设计、提高打印成功率等方面具有重要的意义。

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