3D打印金属零件的特性和可维护性取决于各种属性。这些包括化学成分,相,形态,晶粒尺寸和形状的空间分布,晶体学纹理以及各种缺陷。对这些属性的控制仍然是一个令人兴奋的机会和一个重大挑战,因为需要优化的许多过程变体和参数。工业相关的常见添加剂制造合金的所需属性,例如钢,镍,钛,铝和铜合金,以及拟合分级的材料的变化很大,并且需要特定合金的策略来控制其控制。最近的评论涉及有价值的处理 - 微观结构 - 托管关系,但不关注其控制策略。在这里,我们试图统一脱节的文献,并严格回顾控制晶粒结构,阶段和缺陷方面的最新进展。强调了数字工具的新兴使用,例如机械模型和数据驱动的技术,例如机器学习,尺寸分析和控制零件属性的统计方法。最后,我们确定了金属印刷中高影响力研究的机会,并根据现有证据展示未来的前景。
增材制造 (AM),通常称为 3D 打印,是一种革命性的制造技术,在航空航天、医疗和汽车领域具有重大的工业意义。金属增材制造可以制造复杂的精密零件并修复大型部件;然而,由于缺乏工艺一致性,认证目前是一个问题。开发并集成了一种多功能、廉价的过程控制系统,减少了熔池波动的变化并提高了组件的微观结构均匀性。残余微观结构变化可以通过热流机制随几何形状的变化来解释。晶粒面积变化减少了高达 94%,成本仅为典型热像仪的一小部分,控制软件由内部编写并公开提供。这降低了过程反馈控制的实施障碍,可以在许多制造过程中实施,从聚合物增材制造到注塑成型再到惰性气体热处理。
定向能量沉积 (DED) 是一种新兴技术,可用于修复关键的航空航天部件。研究表明,DED 部件的机械性能在整个零件过程中变化很大,因此很难达到这些应用所需的过程控制水平。使用现场捕获的热数据,计算出冷却速率和熔池尺寸,并将其与 EBSD 捕获的最终晶粒结构关联起来。冷却速率的变化解释了不同加工参数之间以及构建高度的微观结构变化。实施了一种使用累积各向异性因子的新方法,将硬度变化与晶粒结构关联起来。根据 316L 中的线性热输入发现了两种情况,高线性热输入导致部件级别上大量的机械各向异性。热特征和机械性能之间的关系表明,可以通过使用同轴摄像机监测和控制熔池大小来实现对各向异性的严格控制。
定向能量沉积是一种 3D 打印方法,它使用聚焦能量源(例如等离子弧、激光或电子束)来熔化材料,然后通过喷嘴同时沉积。与其他增材制造工艺一样,该技术用于向现有组件添加材料、进行维修或制造新部件。直接能量沉积增材制造技术已引起业界的广泛关注,用于制造/维修在用组件。然而,该过程经历了复杂的熔化和凝固动力学,对有效控制晶粒结构提出了挑战,从而导致潜在的结构故障。这项研究旨在调查使用高强度超声波控制凝固过程和扩大系统规模以制造大型组件的潜力。从可行性研究中可以看出,超声波可以帮助细化晶粒结构,还可以减少孔隙率等异常。在可行性研究中,考虑了一系列频率和功率配置,以简化系统的扩大。根据所研究的超声波配置,最终确定在放大生产中使用 40 kHz 60 W 配置。还注意到,由于凝固过程中的成分过冷降低了熔池主体的温度梯度,因此超声波辅助增材制造中的热裂纹减少了。此外,还注意到晶粒取向垂直于振动方向,这有可能用于根据需要控制晶粒取向。这一新发现为开发超声波辅助增材制造工艺提供了新的应用。
无铅锡基焊点通常具有单晶粒结构,取向随机,且特性高度各向异性。这些合金通常比铅基焊料更硬,因此在热循环期间会向印刷电路板 (PCB) 传递更多的应力。这可能会导致靠近焊点的 PCB 层压板开裂,从而提高 PCB 的柔韧性,减轻焊点的应变,进而延长焊料疲劳寿命。如果在加速热循环期间发生这种情况,可能会导致高估现场条件下焊点的寿命。在本研究中,使用偏光显微镜研究了连接陶瓷电阻器和 PCB 的 SAC305 焊点的晶粒结构,发现其大多为单晶粒。热循环后,在焊点下的 PCB 中观察到裂纹。这些裂纹很可能是在热循环的早期阶段在焊料损坏之前形成的。为了详细研究这些观察结果,我们开发了一种有限元模型,该模型结合了单晶焊点随温度变化的各向异性热性能和机械性能。该模型能够以合理的精度预测 PCB 和陶瓷电阻焊点中损伤起始的位置。它还表明,即使长度非常小的 PCB 裂纹也可能显著降低焊点中累积的蠕变应变和蠕变功。所提出的模型还能够评估焊料各向异性对陶瓷电阻相邻(相对)焊点损伤演变的影响。
薄板纯铅 (TPPL) 技术 NexSys ® TPPL 技术与传统铅酸电池相比具有显著优势。铅钙合金板栅在正常运行期间容易腐蚀,导致电流损失和电池寿命缩短。相比之下,纯铅制成的 TPPL 板栅更薄,表面积更大,从而产生更大的功率输出。纯铅晶粒结构可最大限度地降低电阻,并显著降低腐蚀的可能性,从而提高电池的性能和使用寿命。
随着芯片技术的发展,摩尔定律在微电子工业中的运用可能接近极限,三维集成电路(3D-IC)技术可以克服摩尔定律的限制,具有高集成度、高性能和低功耗的优势[1-3]。因此,3D IC中的芯片堆叠引起了电子工业的广泛关注,不同的键合技术被开发出来以保证芯片(或晶圆)的垂直堆叠,其中采用焊料的TLP键合已被提出作为实现低温键合和高温服务的有效方法。Talebanpour [4]采用Sn3.0Ag0.5Cu作为3D结构中的互连材料,经260 ℃回流温度和时效后获得了全IMC(Cu6Sn5/Cu3Sn)。储[5]研究了低温稳态瞬态液相(TLP)键合Cu/Sn/Cu和Ni/Sn/Ni焊点,分别检测到Cu 6 Sn 5 、Cu 3 Sn、Ni 3 Sn 4 、Ni 3 Sn 2 。陈[6]研究了基于TLP键合的Cu/Sn3.5Ag/Cu和Cu/Sn3.5Ag/Cu15Zn,焊点中检测到了Cu 6 Sn 5和Cu 6 (Sn, Zn) 5 ,研究发现Cu 6 Sn 5 由于其晶粒结构均一且脆性大,会降低键合可靠性;而Zn能有效地将均一晶粒结构修改为交错结构,从而提高键合可靠性。在3D IC结构中,完整IMC焊点在热循环载荷下的可靠性一直是重要的研究方向,有限元程序可以用来计算IMC焊点的应力-应变响应和疲劳寿命。田 [7] 研究了三维IMC接头的应力分析和结构优化
项目涉及制造工艺(铸造/焊接/表面重熔/熔覆等)中凝固过程的多尺度数值研究。宏观模型为连续尺度,将基于有限体积法,在求解质量、动量和能量方程后获得温度场。获得的温度场与低尺度模型(中尺度/微尺度)耦合,以模拟中尺度结构(晶粒结构)或微观结构。低尺度模型包括两种现象 1. 成核 2. 生长,并基于细胞自动机算法。多尺度、多物理模拟将用于执行参数研究,以将工艺参数与微观结构联系起来并表征形态转变。
焊点绝不是均匀结构。焊点由多种截然不同的材料组成,其中许多材料仅具有表面特征。焊点由以下部分组成:(1) PWB 上的基体金属;(2) 焊料成分(通常为锡 (Sn))与 PWB 基体金属的一种或多种金属间化合物 (IMC)(固体溶液);(3) 形成 PWB 侧 IMC 的焊料成分已被耗尽的层;(4) 焊料晶粒结构,由至少两个包含不同比例焊料成分的相以及任何有意或无意的污染物组成;(5) 形成元件侧 IMC 的焊料成分已被耗尽的层;(6) 焊料成分与元件基体金属的一个或多个 IMC 层;以及 (7) 元件上的基体金属。