Для авиалайнеров, грузовых судов, атомных электростанций и других критически важных технологий прочность и долговечность имеют важное значение. Вот почему многие из них содержат чрезвычайно прочный и устойчивый к коррозии сплав, называемый нержавеющей сталью 17-4 с дисперсионным твердением (PH). Теперь впервые сталь 17-4 PH можно последовательно печатать на 3D-принтере, сохраняя при этом благоприятные характеристики.
Группа исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Висконсин-Мэдисон и Аргоннской национальной лаборатории определила конкретные составы стали 17-4, которые при печати соответствуют свойствам версии, изготовленной традиционным способом. Стратегия исследователей, описанная в журнале Additive Manufacturing , основана на высокоскоростных данных о процессе печати, которые они получили с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения от ускорителя частиц.
Новые результаты могут помочь производителям деталей 17-4 PH использовать 3D-печать для сокращения затрат и повышения гибкости производства. Подход, использованный для изучения материала в этом исследовании, также может помочь лучше понять, как печатать другими типами материалов и прогнозировать их свойства и характеристики.
Несмотря на свои преимущества по сравнению с традиционным производством, 3D-печать некоторых материалов может давать результаты, которые слишком противоречивы. Печать металлом особенно сложна, отчасти из-за того, как быстро меняется температура во время процесса.
«Когда вы думаете об аддитивном производстве металлов, мы, по сути, свариваем миллионы крошечных порошкообразных частиц в одно целое с помощью мощного источника, такого как лазер, плавим их в жидкость и охлаждаем до твердого состояния», — сказал физик NIST. Фань Чжан, соавтор исследования. «Но скорость охлаждения высока, иногда превышает один миллион градусов по Цельсию в секунду, и это крайне неравновесное состояние создает ряд чрезвычайных проблем с измерениями».
По словам Чжана, из-за того, что материал нагревается и остывает так быстро, расположение или кристаллическая структура атомов внутри материала быстро меняется, и его трудно определить. Не понимая, что происходит с кристаллической структурой стали во время ее печати, исследователи годами пытались 3D-печать 17-4 PH, в которой кристаллическая структура должна быть правильной — тип, называемый мартенситом, — чтобы материал демонстрировал его востребованные свойства.
Авторы нового исследования стремились пролить свет на то, что происходит во время быстрых изменений температуры, и найти способ привести внутреннюю структуру к мартенситу.
Точно так же, как для наблюдения за взмахами крыльев колибри необходима высокоскоростная камера, исследователям требовалось специальное оборудование для наблюдения за быстрыми изменениями в структуре, происходящими за миллисекунды. Они нашли правильный инструмент для работы в синхротронной рентгеновской дифракции или XRD.
«В XRD рентгеновские лучи взаимодействуют с материалом и формируют сигнал, похожий на отпечаток пальца, соответствующий конкретной кристаллической структуре материала», — сказал Ляньи Чен, профессор машиностроения в Университете Вашингтона в Мэдисоне и соавтор исследования.
В Advanced Photon Source (APS), ускорителе частиц длиной 1100 метров, расположенном в Аргоннской национальной лаборатории, авторы во время печати облучали образцы стали высокоэнергетическим рентгеновским излучением.
Авторы наметили, как кристаллическая структура менялась в процессе печати, и показали, как определенные факторы, которые они контролировали, например состав металлического порошка, влияли на весь процесс.
Хотя железо является основным компонентом стали 17-4 PH, в состав сплава может входить до дюжины различных химических элементов в различных количествах. Авторы, получив в качестве руководства четкую картину структурной динамики во время печати, смогли точно настроить состав стали, чтобы найти набор составов, включающий только железо, никель, медь, ниобий и хром..
Механические испытания показали, что сталь, напечатанная на 3D-принтере, с ее мартенситной структурой и наночастицами, придающими прочность, соответствует прочности стали, полученной традиционными способами.
Новое исследование может произвести фурор и за пределами стали 17-4 PH . Подход, основанный на XRD, может быть использован не только для оптимизации других сплавов для 3D-печати, но и предоставить информацию, которую он раскрывает- это может быть полезно для создания и тестирования компьютерных моделей, предназначенных для прогнозирования качества печатных деталей.
Дополнительная информация: Qilin Guo et al. Разработка сплавов с учетом динамики фазового превращения для аддитивного производства, Additive Manufacturing (2022). DOI: 10.1016/j.addma.2022.103068
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com