材料在制造过程中经历的热、压力和力，如成型、铸造和成型，会导致制造的金属部件内部不一致。这些不一致性包括变形和不均匀的微观结构，或“应变”，这可能导致零件开裂和失效。
降低制造零件的内部应变是制造后热处理(如退火)很常见的原因。退火涉及到将制造零件加热到高温以降低或减轻内应力。
通用电气全球研究院和加州大学伯克利分校的科学家们正在致力于改进生产模型，以帮助更好地设计和热处理零部件。在最近的一项研究中，他们重点研究了使用增材制造(AM)技术制造的零部件，这种技术可以一层一层地制造或“打印”3d零部件。他们分析了在美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的中子实验中与AM过程相关的内部应力形成。题为“通过原位中子成像监测增材制造Inconel 625的残余应变弛豫和首选晶粒取向”的研究结果发表在《增材制造》杂志上。
这项研究涉及到使用基于激光的AM制造的部件，它使用激光熔化和沉积结构材料。熔化后的材料——通常是金属或塑料粉末——会迅速冷却并变硬，然后再在其上沉积一层。
基于激光的AM还可以引起内部应变，由于快速加热和冷却在构建过程中。退火可以减少内应力，但过多的热量会导致材料不必要的结构变化。
GE使用增材制造技术生产中子实验的样品部件。随着内部应变的消除，中子很容易穿透真空炉壁，并成像整个主体部分。利用ORNL的VULCAN光束的中子衍射，研究人员测量了铬镍铁合金625(一种常见的金属合金)的内部残余应变。然后，在ORNL的SNAP光束线上使用了一种互补的技术，中子成像，以实时测量零件退火如何降低内应力。最初的校准实验在日本质子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU波束上进行。
“当使用激光AM时，正在融化的顶层非常热，而下层已经冷却。这种温度变化会产生导致裂缝的内部应力，”通用电气全球研究的首席工程师艾德·马金德(Ade Makinde)说。“在退火过程中，中子帮助我们实时观察炉壁。我们观察了在加热过程中材料中的应力在哪里减少以及在什么温度下减少。这是一种平衡。我们需要加热材料以减少压力，但避免温度过高，以防止不必要的结构变化。”
获得的数据有助于GE改进其生产过程的计算机建模，以减少或消除打印部件的机械故障。例如，该模型可以展示如何通过减少生产过程中发生的内应力来改变零件的形状，从而使其更坚固。它还可以表明，如果改变激光光束的宽度或速度，激光旅行可以提高生产质量。
加州大学伯克利分校的全职研究物理学家Anton Tremsin说:“由于世界上只有少数几个中子设施可以做到，SNAP光束的中子成像为实验提供了便利。”是的，x射线衍射测量可以监测特定点的应变弛豫。然而，中子成像可以让我们同时看到整个物质体，实时的，具有非常高的空间分辨率。这些数据将帮助我们开发新的无损检测技术的仪器和数据分析方法。”
该团队在真空炉中以1300°F或1600°F(700°C或875°C)的温度对每个3-D打印部件进行了几个小时的退火，中子很容易穿透真空炉壁，随着内部应变的缓解，对整个主体部件进行了成像。在较低的温度下，压力缓解在1.0 - 1.5小时内完成，而在较高的温度下，只需几分钟。
“内部应变的数量和分布与激光束速度、激光功率和生产过程中的其他参数有关，”ORNL散裂中子源(SNS) VULCAN光束的首席仪器科学家Ke An说。实验数据是无价的，以及更好地理解如何在不降低其结构完整性的情况下更快地退火零件。这意味着通用电气和其他行业研究伙伴现在可以自信地预测如何改进他们的产品设计和生产过程。”
ORNL高通量同位素反应堆(HFIR)的首席成像波束科学家Hassina Bilheux说:“这项研究显示了工业界、学术界和能源部实验室如何在现实世界的挑战上进行合作。”“ORNL是美国唯一一家有能力为全球中子用户社区提供互补衍射和中子成像技术的机构。我们还提供高速数据采集和分析专业知识。”
Bilheux补充说，SNS目前正在建设的金星成像光束将具有更广泛的中子能量范围供用户使用。用户实验也将受益于升级后的SNS直线加速器更强的2.0兆瓦质子功率。“金星将使设备在高温和高压等极端条件下运行和暴露的结构和机械行为的增强成像。用户还将利用独特的脉冲源中子成像技术，更好地理解更广泛的材料、制造和生产过程。”
马金德说:“在通用电气，我们对这些实验的数据非常满意，而且使用ORNL的中子设施非常容易。”“所有必要的设备都已经在光束线安装和校准，所以，例如，我们不需要带自己的真空炉。SNAP光束线的炉温保持控制，一切都是同步的，以确保准确的数据采集。”
通用电气的科学家们正在利用这些数据开发改进的计算机模型，以帮助预测3d打印的部件是否会破裂，以及在哪里会破裂。然后，他们可以确定如何减少内部应力和优化设计，以帮助防止此类缺陷。
中子研究得到了美国能源部科学办公室、通用电气全球研究中心、加州大学伯克利分校和日本原子能机构的支持。
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