Разработана новая технология измерения деформации материала на атомном уровне

Используя нейтроны для наблюдения за процессом аддитивного производства на атомном уровне, ученые показали, что они могут измерять деформацию материала в процессе его эволюции и отслеживать, как атомы перемещаются в ответ на напряжение.

Автомобильная, аэрокосмическая, экологически чистая энергетика, инструментальная и штамповочная промышленность — любая отрасль, где нужны сложные и высокопроизводительные детали, — может использовать аддитивное производство», — сказал Алекс Плотковски, материаловед из Отдела материаловедения и технологий ORNL и ведущий научный сотрудник эксперимента. Плотковски и его коллеги сообщили о своих результатах в журнале Nature Communications.

Ученые ORNL разработали OpeN-AM — платформу для 3D-печати, которая позволяет измерять развивающиеся остаточные напряжения в процессе производства с помощью пучковой линии VULCAN на источнике нейтронов Spallation Neutron Source (SNS) в ORNL, являющемся пользовательским центром Управления по науке Министерства энергетики. В сочетании с инфракрасной съемкой и компьютерным моделированием эта система позволяет получить беспрецедентное представление о поведении материала в процессе изготовления.

В данном случае использовалась сталь с низкотемпературным превращением, или LTT, при этом с помощью платформы OpeN-Am физически измерялось, как атомы перемещаются в ответ на напряжение, будь то температура или нагрузка.

Остаточные напряжения — это напряжения, которые сохраняются даже после снятия нагрузки или устранения причины напряжения; они могут деформировать материал или, что еще хуже, привести к его преждевременному разрушению. Такие напряжения представляют собой серьезную проблему для изготовления точных деталей с желаемыми свойствами и характеристиками.

Ученые задумали и в течение двух лет проводили эксперимент, позволяющий измерять деформацию материала в процессе его эволюции, что определяет характер распределения напряжений.

Производители смогут регулировать остаточные напряжения в своих компонентах, повышая их прочность, делая их легче и придавая им более сложные формы. Эта технология может быть применена ко всему, что вы хотите производить, — сказал Плотковски.

«Мы успешно продемонстрировали, что такой способ существует», — сказал он. „Мы демонстрируем, что понимаем связь в одном случае, чтобы предвидеть другие случаи“.

За эту технологию ученые недавно получили награду R&D 100 Award 2023. Журнал R&D World объявил победителей в августе. Плотковски и другие победители будут отмечены на церемонии награждения 16 ноября в Сан-Диего.

Ученые использовали специальную платформу для аддитивного производства с проволочной дугой, чтобы провести так называемую нейтронную дифракцию в режиме операндо для LTT-металла в SNS. С помощью линии VULCAN SNS они обрабатывали сталь и регистрировали данные на различных этапах производства и после охлаждения до комнатной температуры. Для подтверждения результатов дифракционные данные совмещались с ИК-изображениями. Система была спроектирована и построена на производственно-демонстрационном комплексе (Manufacturing Demonstration Facility, или MDF), являющемся консорциумом пользователей Управления перспективных материалов и производственных технологий МЭ, где также была построена копирующая система платформы для планирования и тестирования экспериментов перед их проведением на пучковой линии.

В SNS работает линейный ускоритель частиц, генерирующий пучки нейтронов для изучения и анализа материалов на атомном уровне. Разработанный ими исследовательский инструмент позволяет ученым заглянуть внутрь материала в процессе его производства, буквально наблюдая за работой механизмов в режиме реального времени.

Сталь LTT была расплавлена и послойно нанесена на поверхность. По мере застывания и охлаждения металла его структура изменялась в результате так называемого фазового превращения. При этом атомы перестраиваются, занимают другое пространство, и материал ведет себя по-другому.

Обычно превращения, происходящие при высоких температурах, трудно понять, рассматривая материал только после обработки. Наблюдая за сталью LTT в процессе обработки, ученые показали, что они могут понимать фазовые превращения и управлять ими.

«Мы хотим понять, что представляют собой эти напряжения, объяснить, как они возникли, и выяснить, как ими управлять», — сказал Плотковски.

Эти результаты открывают новый путь к созданию желательных остаточных напряжений и распределений свойств в компонентах аддитивного производства путем использования средств управления процессом для улучшения неравномерных пространственных и временных изменений тепловых градиентов вблизи ключевых температур фазового превращения, — пишут авторы.

Плотковски надеется, что ученые со всего мира приедут в ORNL, чтобы провести аналогичные эксперименты с металлами, которые они хотели бы использовать в производстве.

16.10.2023