Tilpasning af legeringens mikrokemi til fejlfri metal 3D -print

I de sidste årtier har metal 3D -print har stået i spidsen for bestræbelserne på at skabe brugerdefinerede dele af indviklede former og høj funktionalitet. Men da additivproducenter har inkluderet flere legeringer til deres 3D -udskrivningsbehov, så har udfordringerne med at skabe ensartet, fejlfrie dele.

En ny undersøgelse fra Texas A&M University forskere har yderligere forfinet processen med at skabe overlegne metaldele ved hjælp af laserpulverbedfusion 3D -printteknikker. Ved at bruge en kombination af maskinlæring og enkelsporede 3D-udskrivningseksperimenter, de har identificeret de gunstige legeringskemikalier og procesparametre, som laserhastighed og effekt, nødvendig for at udskrive dele med ensartede egenskaber i mikroskalaen.

"Vores oprindelige udfordring var at sikre, at der ikke er porer i de trykte dele, fordi det er den oplagte dræber for at skabe objekter med forbedrede mekaniske egenskaber, "sagde Raiyan Seede, doktorand i Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Men efter at have taget fat på den udfordring i vores tidligere arbejde, i dette studie, vi tager dybe dyk i at finjustere legeringernes mikrostruktur, så der er mere kontrol over egenskaberne for det endelige udskrevne objekt i en meget finere skala end tidligere. "

Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Additiv fremstilling .

Ligesom andre 3D-udskrivningsmetoder, laserpulver bed fusion bygger også 3D metaldele lag for lag. Processen starter med at rulle et tyndt lag metalpulver på en bundplade og derefter smelte pulveret med en laserstråle langs spor, der sporer tværsnittet af den påtænkte del. Derefter, et andet lag af pulveret påføres, og processen gentages, gradvist at bygge den sidste del.

Legeringsmetallpulvere, der bruges til additiv fremstilling, kan være ret forskellige, indeholdende en blanding af metaller såsom nikkel, aluminium og magnesium i forskellige koncentrationer. Under udskrivning, disse pulvere afkøles hurtigt efter at være blevet opvarmet af en laserstråle. Da de enkelte metaller i legeringspulveret har meget forskellige køleegenskaber og følgelig størkner med forskellige hastigheder, denne uoverensstemmelse kan skabe en type mikroskopisk fejl kaldet mikrosegregering.

"Når legeringspulveret afkøles, de enkelte metaller kan udfælde, "Seede sagde." Forestil dig at hælde salt i vand. Det opløses med det samme, når mængden af ​​salt er lille, men når du hælder mere salt, de overskydende saltpartikler, der ikke opløses, begynder at udfælde som krystaller. I det væsentlige, det er det, der sker i vores metallegeringer, når de afkøles hurtigt efter udskrivning. "

Han sagde, at denne defekt fremstår som små lommer, der indeholder en lidt anden koncentration af metalingredienserne end andre områder af den trykte del. Disse uoverensstemmelser kompromitterer de mekaniske egenskaber ved det udskrevne objekt.

For at rette op på denne mikrodefekt skal du forskergruppen undersøgte størkningen af ​​fire legeringer indeholdende nikkel og en anden metalbestanddel. I særdeleshed, for hver af disse legeringer, de studerede de fysiske tilstande eller faser, der er til stede ved forskellige temperaturer for at øge koncentrationerne af det andet metal i den nikkelbaserede legering. Fra detaljerede fasediagrammer, de kunne bestemme den kemiske sammensætning af legeringen, der ville føre til minimal mikrosegregering under additiv fremstilling.

Næste, de smeltede et enkelt spor af legeringsmetallpulveret til forskellige laserindstillinger og bestemte procesparametrene, der ville give porøsitetsfrie dele. Derefter, de kombinerede de oplysninger, der blev indsamlet fra fasediagrammerne, med oplysninger fra enkelsporede eksperimenter for at få et konsolideret overblik over laserindstillingerne og nikkellegeringssammensætninger, der ville give en porøsitetsfri trykt del uden mikrosegregering.

Sidst, forskerne gik et skridt videre og uddannede maskinlæringsmodeller til at identificere mønstre i deres enkelsporede eksperimentdata og fasediagrammer for at udvikle en ligning for mikrosegregering, der kan anvendes på enhver anden legering. Seede sagde, at ligningen er designet til at forudsige omfanget af adskillelse givet størkningsområdet, materielle egenskaber, og lasereffekt og hastighed.

"Vores metode letter den vellykkede brug af legeringer af forskellige sammensætninger til additiv fremstilling uden bekymring for at indføre defekter, selv i mikroskala, "sagde Ibrahim Karaman, Chevron Professor I og leder af afdelingen for materialevidenskab og teknik. "Dette arbejde vil være til stor gavn for luftfart, bil- og forsvarsindustrier, der konstant leder efter bedre måder at bygge specialtilpassede metaldele på. "

Forskningssamarbejderne Raymundo Arroyavé og Alaa Elwany tilføjede, at det unikke ved deres metode er i sin enkelhed, som let kan tilpasses af industrier til at bygge robuste, defektfrie dele med en valgfri legering. De bemærkede, at deres tilgang står i kontrast til tidligere bestræbelser, der primært har været afhængige af dyre, tidskrævende eksperimenter til optimering af behandlingsbetingelser.