Stærke og duktile Damaskus-stål ved additiv fremstilling

Dr. Philipp Kürnsteiner, Prof. Eric Jägle og deres team på Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) designede, sammen med kolleger fra Fraunhofer Institute for Laser Technology, et nyt stærkt og duktilt stål, efterligner den lagdelte struktur af Damaskus-stål. De var i stand til at udnytte den iboende varmebehandling under additiv fremstilling, dermed spare tid og omkostninger ved den sædvanlige varmebehandling efter proces. Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater i Natur .

"Vi designede et nyt strygejern, nikkel- og titaniumbaseret stål, der er skræddersyet til additive fremstillingsprocesser. Dette nye stål er i stand til at udnytte fordelene ved rettet energiaflejring, såsom den iboende varmebehandlingsevne. Ved at styre temperaturen og kølehastigheden, vi var i stand til digitalt at styre legeringernes mikrostruktur lag for lag og fik et maraldrende stål med justerbare egenskaber", forklarer Kürnsteiner, postdoktor i grupperne "Legeringer til additiv fremstilling" (AAM) og "Atom Probe Tomography" og førsteforfatter af Natur offentliggørelse. Direkte energideposition er en af ​​de mest populære additive fremstillingsteknikker. Prøver er bygget fra computermodeller på en fuldt digitaliseret måde ved at smelte metallisk pulver med en fokuseret laserstråle. Lag for lag konstruktion, typisk for additive fremstillingsprocesser, gav chancen for at efterligne strukturen af ​​Damaskus-stål. Damaskus stål opnår deres høje styrke og duktilitet gennem en struktur af bløde og hårde lag, hvilket opnås gennem gentagen foldning og smedning.

"I stedet for at folde og smede, vi brugte den digitale kontrol over procesparametrene. Vi udnyttede additiv fremstillings komplekse termiske historie, inklusive cyklisk genopvarmning for at udløse de fasetransformationer, der er nødvendige for høj styrke og duktilitet:først, en dannelse af en nikkelrig martensitmikrostruktur omdannet fra austenit. Sekund, dannelse af nikkel-titanium bundfald, hvilket fører til en hærdende effekt, " forklarer Jägle, leder af AAM-gruppen og siden januar 2020 også professor ved Universität der Bundeswehr München. Forskerne fik kontrol over nedkølingen af ​​prøven via specifikke pausetider, der blev indført under den additive fremstillingsproces. Dette gjorde det muligt at kontrollere sekvensen af ​​de to fasetransformationer og dermed veksle mellem hærdede og ikke-hærdede områder. For at studere den komplekse og meget hierarkiske mikrostruktur af additivt fremstillet stål, en kombination af forskellige analytiske teknikker, herunder elektron backscatter diffraktion og atom probe tomografi, blev brugt. Dette gjorde det muligt at tegne et komplet billede af mikrostrukturen lige fra hærdede lag, der forekommer på en millimeterlængdeskala til størkningsstrukturer på en mikrometerskala ned til nanometerstørrelse nikkel-titanium-udfældninger, der blev udløst af den iboende varmebehandling.

"Andre tænkelige muligheder for at kontrollere in situ varmebehandlingen, udover at indstille laserens pauselængde, kunne justere lasereffekten, dens scanningsvej eller anvendelse af eksterne opvarmnings- og afkølingsmetoder. Vi tester nu de forskellige muligheder sammen med vores partnere fra Fraunhofer Institute for Laser Technology. Dette åbner nye døre til lokalt at justere mikrostrukturen af ​​komplekse tredimensionelle dele, hvis vores tilgang kombineres med kraftfuld processimuleringssoftware. Derudover vores tilgang er velegnet til en bred vifte af legeringer og additive fremstillingsprocesser, " forklarer Kürnsteiner.

MPIE-forskerne var i stand til at vise, at den iboende varmebehandling under laseradditivfremstilling giver mulighed for lokalt at justere mikrostrukturer. Evnen til at manipulere mikrostrukturen er bedst anvendelig i legeringer, der kan reagere optimalt på de specifikke forhold ved additiv fremstilling, som vist for den nyudviklede Fe ₁₉ Ni ₅ Ti stål. Målet er nu at designe flere legeringer, der drager fordel af in situ-udfældningshærdningen og den lokale mikrostrukturkontrol, som additiv fremstilling giver. Muligheden for lokalt at skræddersy mikrostrukturer og mekaniske egenskaber åbner nye muligheder for fremstilling. Værktøj eller konstruktionsdele kan bygges med bløde kerner og hårde yderbeklædninger uden yderligere belægninger eller andre hærdende behandlinger.