康奈尔大学的研究人员采用了一种新颖的方法来探索3d打印金属合金的微观结构:他们在打印材料的同时用x射线轰击它。

　　通过观察热机械变形过程如何实时产生局部微尺度现象，如弯曲、破碎和振荡，研究人员将能够生产出包含这些性能增强特性的定制材料。

　　该小组的论文《Operando x射线衍射揭示的增材制造中的枝晶变形模式》发表在《通信材料》上。第一作者是博士生Adrita Dass。

　　“我们总是在处理后观察这些微观结构，但如果只进行死后表征，就会遗漏很多信息。现在我们有工具可以观察这些微观结构的演变，”康奈尔大学工程学院西布里机械与航空航天工程学院助理教授、该论文的资深作者Atieh Moridi说。

　　“我们希望能够理解这些微小的图案或微结构是如何形成的，因为它们决定了打印部件的一切性能。”

　　该小组专注于3D打印的一种形式，在这种情况下，粉末-在这种情况下，镍基高温合金IN625，广泛用于增材制造和航空航天工业-通过喷嘴应用，由高功率激光束熔化，然后冷却和固化。

　　由于在实验室中无法获得高能x射线，研究人员创造了一个便携式的3d打印装置，并将其带到威尔逊实验室康奈尔高能同步加速器源(CHEXS@CHESS)的高能x射线科学中心。

　　该设施以前从未进行过这种类型的3d打印实验，因此CHESS光束线科学家达伦·帕根(Darren Pagan)，现在是宾夕法尼亚州立大学的助理教授，与研究人员合作，将打印机安装到该设施的一个实验箱中。国际象棋小组还制定了操作高功率激光器和易燃粉末的关键安全协议。

　　在FAST光束线的实验中，一束聚焦的x射线被送入舱室，在那里经过IN625的加热、熔化和冷却。打印机另一侧的探测器捕捉到x射线与材料相互作用产生的衍射图案。

　　“这些衍射图案的形成方式给了我们很多关于材料结构的信息。它们是在加工过程中捕捉材料历史的微观结构指纹，”莫里迪说。“根据相互作用和导致相互作用的原因，我们得到了不同的模式，从这些模式中，我们可以反向计算材料的结构。”

　　通常，研究人员会试图整合衍射数据的数量，以便对其进行分析。但是Moridi, Dass和博士生兼合著者Chenxi Tian承担了一项更具挑战性的任务，他们研究了原始探测器图像。莫里迪说，虽然这种方法需要更多的时间和更多的劳动密集型，但它提供了一个更丰富、更全面的画面，展示了IN625是如何形成的，揭示了“我们大多数时候都没有的独特功能”。

　　该小组确定了由该过程的热和机械效应产生的关键微观结构特征，包括:扭转、弯曲、破碎、同化、振荡和枝晶间生长。

　　研究人员预计，他们的方法可以应用于其他3d打印金属，如不锈钢、钛和高熵合金，或任何具有晶体结构的材料系统。

　　该方法还可以帮助开发更坚固的材料。例如，脉冲激光束会增加晶体内部的碎片，减小其颗粒的大小，使材料更坚固。

　　达斯说:“最终的目标是为特定的合金提供最好的材料系统，用于特定的应用。”“如果你知道在加工过程中发生了什么，你就可以选择如何加工你的材料，这样你就能得到那些特定的特征。”