Talstyrke til 3D-udskrivning

Additiv fremstilling, også kaldet 3D-udskrivning, bruges almindeligvis til at bygge komplekse tredimensionelle objekter, lag for lag. A*STAR-forskere har vist, at processen også kan bidrage til at gøre en højtydende legering endnu stærkere.

Kobolt-chrom-jern-nikkel-mangan (CoCrFeNiMn) er kendt som en legering med høj entropi. Opdaget i 2004, den er særlig god til at modstå brud under hårde miljøforhold, såsom lave temperaturer. For at lave et objekt fra legeringen, forskere hælder typisk det smeltede metal i en støbning, lad det køle af, og bearbejd den derefter i den ønskede form. Imidlertid, dette kan være en tidskrævende og dyr måde at lave komplekse komponenter på. I princippet, additiv fremstilling kunne springe bearbejdningstrinnet over for direkte at fremstille komplekse komponenter.

Nai Mui Ling Sharon fra A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), hendes kolleger, og internationale samarbejdspartnere har vist, at en additiv fremstillingsmetode, kaldes selektiv lasersmeltning, er velegnet til at bygge komponenter fra CoCrFeNiMn. Processen bruger en kraftig laserstråle til at smelte små pulverpartikler af legeringen, som derefter smelter sammen til en fast genstand. Bemærkelsesværdigt, forskerne fandt ud af, at processen faktisk producerer et stærkere materiale end konventionelle støbemetoder. "Det udviser en forbedret styrke med en relativt god duktilitet, "siger Zhu Zhiguang, en stipendiat i SIMTech -teamet, der ledede undersøgelsen.

Forskerne lavede først et præ-legeret pulver af CoCrFeNiMn, indeholdende partikler, der i gennemsnit var 36 mikrometer på tværs. Derefter brugte de lasersmeltning til at fremstille partiklerne i 10 millimeter brede terninger, eller flade stænger på 90 millimeter. De varierede også laserens effekt, og den hastighed, den scannede over legeringspartiklerne, at forstå, hvordan forskellige trykforhold påvirkede legeringens ydeevne.

Analyse af prøverne afslørede en række funktioner, der bestemte materialets egenskaber. For eksempel, den indeholdt mikroskopiske smeltebassiner, snarere som miniaturesvejsninger, der holdt materialet sammen. Det indeholdt også aflange krystallinske korn, der var omtrent 13 mikrometer på tværs; disse korn blev opdelt i mindre 'celler', der var mindre end en mikrometer brede. Forskerne fandt ud af, at disse celler spillede en afgørende rolle for at styrke legeringen.

Krystaller indeholder en regelmæssig række atomer arrangeret i gentagne mønstre. Store krystaller kløver ofte ret let - hvis atomerne i den ene del af krystallen glider ud af stedet, de tvinger naboatomer til at glide på samme måde, sender et brud løb gennem hele krystallen.

Men materialer dannet af mange mindre korn kan undgå dette problem. Det er fordi krystalkonstruktionen af ​​hvert korn muligvis ikke stemmer overens med dets naboer, så enhver atomisk forskydning stopper, så snart de når en korngrænse.

De små celler i forskerens legering synes at forstærke denne styrkende effekt, fange dislokationer og tilbyde en større forbedring af materialets styrke. En af de trykte legeringer, forberedt ved hjælp af optimerede udskrivningsforhold, kunne modstå 510 megapascal stress, før det begyndte at deformere permanent. Dette er næsten det dobbelte af den belastning, som en konventionelt forberedt CoCrFeNiMn -legering kan klare.

Forskerne opvarmede derefter deres 3D-trykte genstande ved 900 grader Celsius i en time under en inaktiv atmosfære. Dette fjernede delvist den cellulære struktur og reducerede materialets styrke, men det gjorde også materialet mere sejt, gør det muligt at deformere yderligere.

Forskerne håber, at tilpasning af 3-D-udskrivningsprocesserne yderligere kan forbedre materialernes mekaniske egenskaber. De planlægger også at bruge selektiv lasersmeltning til at fremstille andre højtydende legeringer, så de kan studere, hvordan materialernes mikroskopiske struktur påvirker deres egenskaber. "Med denne forståelse, vi vil være bedre rustet til at skræddersy deres ejendomme til industriel anvendelse, og bidrage til at fremskynde indførelsen af ​​additiv fremstilling, "siger Nai.