3-D-print eliminerer uønskede egenskaber i konventionelle superlegeringer

En uønsket egenskab, der findes i traditionelt forarbejdede superlegeringer, findes ikke i en 3-D-printet, nikkelbaseret superlegering, ifølge et team af materialeforskere, der mener, at dette kan føre til nye fremstillingsteknikker, der giver mulighed for legeringer med skræddersyede egenskaber.

Egenskaben, kaldet dynamisk belastningsaldring (DSA), forekommer i metaller ved høje temperaturer udsat for stress. I konventionelt forarbejdede materialer, hvis DSA er til stede, materialets styrke svinger med påført deformation, resulterer i takkede spændings-tøjningskurver.

Forskere, ledet af Allison Beese, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State, testet den 3D-trykte Inconel 625 kontra traditionelt forarbejdede Inconel 625 ved hjælp af neutrondiffraktionskarakterisering med mekanisk testning ved Oak Ridge National Laboratory. Data indsamlet på mikroskopisk niveau gav et billede af kornniveauets oprindelse for den takkede spændingskurve, og resulterede i en ny forståelse af de mikrostrukturmekanismer, der driver dette fænomen. Denne forskning, udgivet i Naturkommunikation , kunne bane vejen for design af materialer uden dynamisk belastningsældning.

Superlegeringer er metaller med høj styrke og korrosionsbestandighed, selv ved høje temperaturer.

"Vi så de karakteristiske takkede spændingskurver i konventionelt forarbejdet Inconel 625 ved forhøjede temperaturer, hvor strømningsspændingen svinger op og ned, når materialet deformeres op og ned, " sagde Beese. "Det er ikke en ideel adfærd for materialer at have, da det kan resultere i tidligt brud og uforudsigelig adfærd."

Forskerne fandt ud af, at den konventionelle legering havde en tilfældig krystalstruktur, men at den 3-D-printede version havde en bedre krystaltekstur og mere fint spredte partikler.

"Vi brugte en unik eksperimentel opsætning til at undersøge mekanikken på kornniveau, " sagde Beese. "Vi ønskede at forstå, hvordan det bidrager til forskellen i makroskopisk adfærd, som vi ser mellem disse to former for Inconel 625, der havde den samme elementære sammensætning, men blev fremstillet på forskellige måder. Vi var i stand til at udvikle en mesoskopisk forståelse af DSAs oprindelse, som tidligere manglede."

Holdet tilskrev manglen på DSA i det 3-D-printede materiale til en kombination af finere partikler fordelt i kornene af dette materiale og bedre krystaltekstur i materialet, resulterer i retningsafhængige egenskaber, ligner træ, hvor materialet har forskelle i styrke på tværs i forhold til kornet.

Beese sagde, at yderligere forskning kunne gøre det muligt at indstille 3D-trykt materiale yderligere for den ønskede ydeevne under den indledende behandling eller ved hjælp af varmebehandlinger forud for fremstilling til justering af partikler og kornstrukturer. Udskrivning af superlegeringer til næsten nettoform er også nyttigt, fordi superlegeringer, på grund af deres styrke, er svære at bearbejde. Udskrivning reducerer bearbejdningskravene, sammen med mængden af ​​spildt materiale, og kunne være til gavn.

Denne forskning, Beese sagde, kunne hjælpe med at forbedre mangeårige modeller, der bruges til at designe og forstå metaller, der gennemgår DSA under deformation, og også give mål for design af nye metalliske materialer, især dem, der er fremstillet ved hjælp af additiv fremstilling.