X-ray investigations of stainless steel 316L produced via directed energy deposition
本研究结合了实验室 X 射线计算机断层扫描与 X 射线衍射技术，定量表征了定向能量沉积工艺参数如何影响 316L 不锈钢的孔隙率、晶体织构及残余应力，并证明了一种经机器学习增强的稀疏视图工作流可以在保持高缺陷检测准确度的同时显著缩短扫描时间。
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为了在为日益增长的世界寻找清洁能源的过程中，工程师们正将目光投向先进的核反应堆。这些机器有望以极低的碳足迹提供巨大的能量，但制造它们需要能够承受数十年极端高温、辐射和压力的材料。传统上，这些关键部件是通过铸造或锻造制成的，但一种被称为增材制造的新方法正受到关注。这种过程通常被称为3D打印，它通过逐层堆叠金属来构建部件，从而实现以前无法制造的复杂形状。然而，由于这些部件是由熔融金属在瞬间冷却并凝固而成的，它们可能会产生隐藏的缺陷。被称为“孔隙率”的微小气孔，或是随着金属收缩而积累的内部应力，都可能削弱结构强度。在这些打印部件被信任并用于核反应堆之前，科学家必须证明它们与传统制造的部件一样坚固可靠。
爱达荷国家实验室和橡树岭国家实验室的研究团队致力于了解3D打印过程中的设置如何影响不锈钢部件的质量。他们专注于一种特定的钢材——316L，这种钢材因其耐腐蚀且能在压力下保持良好性能而在核系统中被广泛使用。研究人员使用了被称为“定向能量沉积”的技术，即利用高功率激光熔化喷洒在表面上的金属粉末，从而逐层构建物体。为了观察金属内部发生的情况，他们采用了两种强大的工具。首先，他们使用了X射线计算机断层扫描技术，这本质上是一种高分辨率的3D X射线相机，用于扫描打印块的内部并统计每一个微小的孔洞。其次，他们使用了X射线衍射技术，这种方法通过让X射线从金属的晶体结构中反弹，来测量原子的排列方式以及内部锁定了多少应力。
该团队制作了18个不同的样本，改变了激光功率、激光移动速度以及送入粉末的数量。他们想看看这些变化是否会产生更多或更少的缺陷。为了使扫描过程更快、更高效，他们开发了一个智能计算机程序，该程序可以从比平时少得多的X射线图像中重建出清晰的3D图像。这使得他们能够以传统方法所需时间的一小部分完成所有样本的扫描，且不会丧失识别微小缺陷的能力。结果显示，用于打印金属的设置至关重要。当激光功率过低，或者粉末供应速度过快导致激光无法将其完全熔化时，样本就会出现明显的孔隙率。在最糟糕的情况下，金属内部的空隙体积占比接近7%，这对于关键结构部件来说实在太多了。然而，当研究人员增加激光功率时，金属熔化得更加彻底，在大多数样本中，孔隙率降到了不到0.5%。
缺陷的位置也具有启发性。研究人员发现，最大的孔洞簇出现在样本的底部，即金属最初接触构建板的地方。这表明冰冷的金属板和打印初期不稳定的起始过程使得在前几层形成坚固结合变得更加困难。虽然空隙量随设置的不同而剧烈变化，但金属的内部结构却出奇地一致。X射线衍射测试显示，每种样本都形成了单一且均匀的晶体结构，其原子呈现出一种特定的排列模式。这种被称为“织构”的模式在所有样本中都存在，无论它们是如何打印的，尽管其强度在不同位置略有差异。
或许最重要的一点是，这项研究绘制了困在金属内部的无形力量图谱。随着熔融钢材冷却并凝固，它会发生收缩，但由于它连接在下层之上，它无法自由收缩。这产生了内部压力，即残余应力。测量结果显示，部件表面承受着显著的压应力，这意味着金属正在向内被挤压。这通常是一件好事，因为压应力可以帮助阻止裂纹的形成和扩展。然而，应力在不同方向上并不相同，这创造了一种非均匀的状态。研究人员还注意到，即使在同一件部件内，这种应力在不同位置之间也存在显著差异，这凸显了激光移动和冷却金属的过程如何在最终部件上留下了独特的“指纹”。
通过将打印设置直接与孔洞的大小、数量、晶体排列以及内部应力联系起来，这项工作为制造更好的部件提供了清晰的路线图。它表明，仅仅提高激光功率就可以防止危险空隙的形成，但也警告说，必须仔细平衡这一过程，以避免产生其他类型的缺陷。研究证实，只要拥有正确的速度和能量组合，3D打印的不锈钢就可以具有极少的缺陷和可预测的内部结构。这种细致入微的理解，是使这些先进材料获得核能领域高标准认证的关键一步，确保未来的核反应堆建立在经过验证的强度与安全的基础之上。
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