Forskere afslører kunsten at trykke ekstremt hårdt stål fejlfrit

I årtusinder, metallurger har omhyggeligt justeret ingredienserne i stål for at forbedre dets egenskaber. Som resultat, flere varianter af stål findes i dag; men en type, kaldet martensitisk stål, skiller sig ud fra sine stålfætre som stærkere og mere omkostningseffektive at producere. Derfor, martensitiske stål egner sig naturligvis til applikationer inden for luftfart, bil- og forsvarsindustrien, blandt andre, hvor høj styrke, letvægtsdele skal fremstilles uden at øge omkostningerne.

Imidlertid, til disse og andre applikationer, metallerne skal bygges ind i komplekse strukturer med minimalt tab af styrke og holdbarhed. Forskere fra Texas A&M University, i samarbejde med forskere i Air Force Research Laboratory, har nu udviklet retningslinjer, der tillader 3-D-print af martensitisk stål til meget robuste, fejlfrie genstande af næsten enhver form.

"Stærke og seje stål har en enorm anvendelse, men de stærkeste er normalt dyre - den eneste undtagelse er martensitiske stål, der er relativt billige, koster mindre end en dollar per pund, " sagde Dr. Ibrahim Karaman, Chevron Professor I og leder af Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Vi har udviklet en ramme, så 3D-printning af disse hårde stål er mulig i enhver ønsket geometri, og det endelige objekt vil være praktisk talt fejlfrit."

Selvom den udviklede procedure oprindeligt var til martensitisk stål, forskere fra Texas A&M sagde, at de har gjort deres retningslinjer generelle nok til, at den samme 3-D-printerpipeline også kan bruges til at bygge indviklede genstande fra andre metaller og legeringer.

Resultaterne af undersøgelsen blev rapporteret i december-udgaven af ​​tidsskriftet Acta Materialia .

Stål er lavet af jern og en lille mængde andre elementer, inklusive kulstof. Martensitstål dannes, når stål opvarmes til ekstremt høje temperaturer og derefter hurtigt afkøles. Den pludselige afkøling begrænser unaturligt kulstofatomer i jernkrystaller, giver martensitisk stål sin signaturstyrke.

For at have forskellige applikationer, martensitisk stål, især en type kaldet lavlegeret martensitisk stål, skal samles til genstande af forskellige former og størrelser afhængigt af en bestemt anvendelse. Det er når additiv fremstilling, mere almindeligt kendt som 3-D-print, giver en praktisk løsning. Ved at bruge denne teknologi, komplekse emner kan bygges lag for lag ved at opvarme og smelte et enkelt lag metalpulver langs et mønster med en skarp laserstråle. Hvert af disse lag sammenføjet og stablet skaber det endelige 3D-printede objekt.

Imidlertid, 3D-trykning af martensitisk stål ved hjælp af lasere kan indføre utilsigtede defekter i form af porer i materialet.

"Porøsiteter er bittesmå huller, der kraftigt kan reducere styrken af ​​det endelige 3-D-printede objekt, selvom det råmateriale, der bruges til 3-D-print, er meget stærkt, " sagde Karaman. "For at finde praktiske anvendelser til det nye martensitiske stål, vi var nødt til at gå tilbage til tegnebrættet og undersøge, hvilke laserindstillinger der kunne forhindre disse defekter."

Til deres eksperimenter, Karaman og Texas A&M-teamet valgte først en eksisterende matematisk model inspireret af svejsning for at forudsige, hvordan et enkelt lag martensitisk stålpulver ville smelte for forskellige indstillinger for laserhastighed og kraft. Ved at sammenligne typen og antallet af fejl, de observerede i et enkelt spor af smeltet pulver med modellens forudsigelser, de var i stand til at ændre deres eksisterende rammer en smule, så de efterfølgende forudsigelser blev forbedret.

Efter et par sådanne gentagelser, deres rammer kunne forudsige korrekt, uden behov for yderligere eksperimenter, hvis en ny, utestede sæt laserindstillinger ville føre til defekter i det martensitiske stål. Forskerne sagde, at denne procedure er mere tidseffektiv.

"At teste hele rækken af ​​laserindstillingsmuligheder for at vurdere, hvilke der kan føre til defekter, er ekstremt tidskrævende, og til tider, endda upraktisk, " sagde Raiyan Seede, en kandidatstuderende på Ingeniørhøjskolen og den primære forfatter til undersøgelsen. "Ved at kombinere eksperimenter og modellering, vi var i stand til at udvikle en enkel, hurtig, trin-for-trin procedure, der kan bruges til at bestemme, hvilken indstilling der ville fungere bedst til 3D-udskrivning af martensitisk stål. "

Seede bemærkede også, at selvom deres retningslinjer blev udviklet for at sikre, at martensitisk stål kan udskrives uden deformiteter, deres ramme kan bruges til at printe med ethvert andet metal. Han sagde, at denne udvidede anvendelse skyldes, at deres ramme kan tilpasses til at matche observationer fra enkelsporede eksperimenter for et givet metal.

"Selvom vi startede med fokus på 3D-print af martensitisk stål, vi har siden skabt en mere universel udskrivningspipeline, "sagde Karaman." Også, vores retningslinjer forenkler kunsten at 3-D printe metaller, så det endelige produkt er uden porøsitet, hvilket er en vigtig udvikling for alle typer metaladditive fremstillingsindustrier, der gør dele så enkle som skruer til mere komplekse som landingsstel, gearkasser eller møller. "