На протяжении тысячелетий металлурги тщательно настраивали ингредиенты стали, чтобы улучшить ее свойства. В результате сегодня существует несколько вариантов стали; но один тип, называемый мартенситной сталью, отличается от своих стальных кузенов тем, что он прочнее и дешевле в производстве. Следовательно, мартенситные стали, естественно, подходят для применения в аэрокосмической, автомобильной и оборонной промышленности, в том числе, где необходимо производить высокопрочные и легкие детали без увеличения стоимости.
Однако для этих и других применений металлы должны быть встроены в сложные конструкции с минимальной потерей прочности и долговечности. Исследователи из Техасского университета A&M в сотрудничестве с учеными из Исследовательской лаборатории ВВС США разработали руководящие принципы, которые позволяют 3D-печать мартенситных сталей в очень прочные, бездефектные объекты практически любой формы.
«У прочных и прочных сталей огромное количество применений, но самые прочные из них обычно дороги — единственным исключением являются мартенситные стали, которые относительно недороги и стоят менее доллара за фунт», — сказал д-р Ибрагим Караман, профессор Chevron I и глава отдела. материаловедения и инженерии. «Мы разработали структуру, позволяющую 3D-печать этих твердых сталей с любой желаемой геометрией, а конечный объект будет практически без дефектов».
Хотя разработанная процедура изначально предназначалась для мартенситных сталей, исследователи из Texas A&M заявили, что они сделали свои рекомендации достаточно общими, чтобы тот же конвейер 3D-печати можно было использовать для создания сложных объектов из других металлов и сплавов.
Результаты исследования были опубликованы в декабрьском номере журнала Acta Materialia .
Стали состоят из железа и небольшого количества других элементов, включая углерод. Мартенситные стали образуются, когда стали нагревают до чрезвычайно высоких температур, а затем быстро охлаждают. Внезапное охлаждение неестественным образом удерживает атомы углерода внутри кристаллов железа, придавая мартенситной стали характерную прочность.
Чтобы иметь разнообразные применения, мартенситные стали, особенно низколегированные мартенситные стали, должны быть собраны в объекты разных форм и размеров в зависимости от конкретного применения. Именно тогда аддитивное производство, более известное как 3D-печать, обеспечивает практическое решение. Используя эту технологию, сложные изделия можно создавать слой за слоем, нагревая и расплавляя один слой металлического порошка по рисунку с помощью острого лазерного луча. Каждый из этих слоев, объединенных и уложенных друг на друга, создает окончательный 3D-печатный объект.
Однако трехмерная печать мартенситных сталей с использованием лазера может привести к непреднамеренным дефектам в виде пор внутри материала.
«Поры — это крошечные отверстия, которые могут резко снизить прочность конечного объекта, напечатанного на 3D-принтере, даже если сырье, используемое для 3D-печати, очень прочное», — сказал Караман. «Чтобы найти практическое применение новой мартенситной стали, нам нужно было вернуться к чертежной доске и выяснить, какие настройки лазера могли бы предотвратить эти дефекты».
Для своих экспериментов Караман и команда Texas A&M сначала выбрали существующую математическую модель, вдохновленную лазерной сваркой, чтобы предсказать, как один слой порошка мартенситной стали будет плавиться при различных настройках скорости и мощности лазера. Сравнив тип и количество дефектов, которые они наблюдали в одной дорожке расплавленного порошка, с прогнозами модели, они смогли немного изменить существующую структуру, чтобы последующие прогнозы улучшились.
После нескольких таких итераций их структура могла правильно предсказать, не требуя дополнительных экспериментов, приведет ли новый, непроверенный набор настроек лазера к дефектам в мартенситной стали. Исследователи говорят, что эта процедура более эффективна по времени.
«Проверка всего спектра возможностей лазерной настройки для оценки того, какие из них могут привести к дефектам, занимает чрезвычайно много времени, а иногда даже непрактична», — сказал Райян Сиде, аспирант инженерного колледжа и основной автор исследования. . «Объединив эксперименты и моделирование, мы смогли разработать простую, быструю, пошаговую процедуру, которую можно использовать для определения того, какие настройки лучше всего подходят для 3D-печати мартенситных сталей».
Seede также отметил, что, хотя их рекомендации были разработаны для обеспечения возможности печати на мартенситных сталях без деформации, их основу можно использовать для печати любым другим металлом. Он сказал, что это расширенное приложение связано с тем, что их структура может быть адаптирована для соответствия наблюдениям однодорожечных экспериментов для любого данного металла.
«Хотя мы начали с сосредоточения внимания на 3D-печати мартенситных сталей, с тех пор мы создали более универсальный конвейер печати», — сказал Караман. «Кроме того, наши рекомендации упрощают искусство 3D- печати металлами, так что конечный продукт не имеет пористости, что является важной разработкой для всех видов аддитивного производства металлов, которые делают детали от простых, таких как винты, до более сложных, таких как шасси. редукторы или турбины».
