Ingeniører 3-D print højstyrke aluminium, løse ældgamle svejseproblem ved hjælp af nanopartikler

HRL Laboratories har fået et gennembrud inden for metallurgi med meddelelsen om, at forskere på det berømte anlæg har udviklet en teknik til succesfuld 3D-printning af højstyrke aluminiumslegeringer – inklusive typerne Al7075 og Al6061 – der åbner døren til additiv fremstilling af ingeniørrelevante legeringer. Disse legeringer er meget ønskværdige til fly- og automobildele og har været blandt tusinder, der ikke var modtagelige for additiv fremstilling - 3D-print - en vanskelighed, der er blevet løst af HRL-forskerne. En ekstra fordel er, at deres metode kan anvendes på yderligere legeringsfamilier, såsom højstyrkestål og nikkelbaserede superlegeringer, der er vanskelige at behandle i øjeblikket i additiv fremstilling.

"Vi bruger en 70 år gammel nukleationsteori til at løse et 100 år gammelt problem med en maskine fra det 21. århundrede, " sagde Hunter Martin, som ledte teamet sammen med Brennan Yahata. Begge er ingeniører i HRL's Sensors and Materials Laboratory og ph.d.-studerende ved University of California, Santa Barbara studerer med professor Tresa Pollock, en medforfatter på undersøgelsen. Deres papir 3D-print af højstyrke aluminiumslegeringer blev offentliggjort i september 21, 2017 udgave af Natur .

Additiv fremstilling af metaller begynder typisk med legeringspulvere, der påføres i tynde lag og opvarmes med en laser eller anden direkte varmekilde for at smelte og størkne lagene. Normalt, hvis der anvendes højstyrke usvejsbare aluminiumslegeringer såsom Al7075 eller AL6061, de resulterende dele lider under alvorlige varme revner - en tilstand, der gør en metaldel i stand til at blive trukket fra hinanden som en skællende kiks.

HRL's nanopartikelfunktionaliseringsteknik løser dette problem ved at dekorere højstyrke usvejsbare legeringspulvere med specielt udvalgte nanopartikler. Det nanopartikel-funktionaliserede pulver føres ind i en 3D-printer, som lægger pulveret i lag og lasersmelter hvert lag for at konstruere et tredimensionelt objekt. Under smeltning og størkning, nanopartiklerne fungerer som kernedannelsessteder for den ønskede legeringsmikrostruktur, forhindrer varm revnedannelse og muliggør bibeholdelse af fuld legeringsstyrke i den fremstillede del.

Fordi smeltning og størkning i additiv fremstilling er analog med svejsning, HRL's nanopartikelfunktionalisering kan også bruges til at gøre usvejsbare legeringer svejsbare. Denne teknik er også skalerbar og anvender billige materialer. Konventionelle legeringspulvere og nanopartikler producerer printerråmateriale med nanopartikler fordelt ensartet på overfladen af ​​pulverkornene.

"Vores første mål var at finde ud af, hvordan vi helt kunne eliminere den varme revnedannelse. Vi søgte at kontrollere mikrostrukturen, og løsningen skulle være noget, der naturligt sker med den måde, hvorpå dette materiale størkner, " sagde Martin.

For at finde de rigtige nanopartikler, i dette tilfælde zirconium-baserede nanopartikler, HRL-teamet hyrede Citrine Informatics til at hjælpe dem med at sortere gennem de utallige mulige partikler for at finde den med de egenskaber, de havde brug for.

"At bruge informatik var nøglen, " sagde Yahata. "Måden metallurgi plejede at foregå på var ved at dyrke det periodiske system for legeringselementer og for det meste teste med trial and error. Pointen med at bruge informatiksoftware var at gøre en selektiv tilgang til den nukleationsteori, vi kendte, for at finde materialerne med de nøjagtige egenskaber, vi havde brug for. Når vi fortalte dem, hvad de skulle kigge efter, deres big data-analyse indsnævrede feltet af tilgængelige materialer fra hundredtusindvis til nogle få udvalgte. Vi gik fra en høstak til en håndfuld mulige nåle."

Med denne spændende nye teknik, HRL står i spidsen for et nyt kapitel i additiv fremstilling af metaller til forskning, industri, og forsvar.