Блог

Aug 02, 2023

Впервые нержавеющую сталь можно печатать на 3D-принтере, сохраняя при этом ее характеристики.

RodrigoEM/iStock Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой.

РодригоEM/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Висконсин-Мэдисон и Аргоннской национальной лаборатории создали особые составы стали 17-4. При печати они соответствуют свойствам версии, изготовленной традиционным способом.

Результаты исследования были опубликованы в ноябрьском номере журнала Additive Manufacturing. Для получения данных они использовали высокоэнергетические рентгеновские лучи из ускорителя частиц.

По данным NIST, прочность и выносливость имеют решающее значение для атомных электростанций, грузовых судов, самолетов и других ключевых технологий. По этой причине многие из них изготовлены из чрезвычайно прочного сплава дисперсионно-твердеющей (PH) нержавеющей стали 17-4. Впервые сталь 17-4 PH теперь можно надежно печатать на 3D-принтере, сохраняя при этом ее полезные свойства.

Последние исследования могут сделать 3D-печать более рентабельной и гибкой для производителей изделий из 17-4 PH. Метод, использованный для исследования вещества в этом исследовании, также может заложить основу для лучшего понимания того, как печатать различные вещества и прогнозировать их качество и эффективность.

«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 эти крайне неравновесные условия создают ряд чрезвычайных проблем при измерениях».

Исследователи начали изучать, что они могут сделать, чтобы понять, что происходит во время быстрого изменения температуры, и сориентировать внутреннюю структуру в сторону мартенсита.

Чтобы изучить быстрые структурные изменения, происходящие за миллисекунды, исследователям понадобились специализированные инструменты. Они обнаружили, что синхротронная рентгеновская дифракция (XRD) является идеальным методом для этого.

«При XRD рентгеновские лучи взаимодействуют с материалом и формируют сигнал, похожий на отпечаток пальца, соответствующий конкретной кристаллической структуре материала», — сказал Ляньи Чен, профессор машиностроения в UW-Madison и соавтор исследования.

Фань Чжан и др.

Авторы смогли точно настроить состав стали и найти набор составов, состоящий только из железа, никеля, меди, ниобия и хрома, который работал, поскольку теперь они хорошо понимали структурную динамику во время печати в качестве эталона. .

«Контроль состава действительно является ключом к сплавам для 3D-печати. ​​Контролируя состав, мы можем контролировать процесс его затвердевания. Мы также показали, что в широком диапазоне скоростей охлаждения, скажем, от 1000 до 10 миллионов градусов Цельсия в секунду. , наши составы неизменно приводят к получению полностью мартенситной стали 17-4 PH», — сказал Чжан.

Недавняя работа может оказать влияние и за пределами стали 17-4 PH. Информация, полученная с помощью метода XRD, может быть использована для разработки и тестирования компьютерных моделей, предназначенных для прогнозирования качества печатных изделий, а также для оптимизации других сплавов для 3D-печати.

«Наш 17-4 надежен и воспроизводим, что снижает барьер для коммерческого использования. Если они будут следовать этому составу, производители смогут печатать структуры 17-4, которые будут так же хороши, как и детали, изготовленные традиционным способом», — сказал Чен.

Абстрактный:

Технологии аддитивного производства на основе синтеза позволяют изготавливать детали сложной геометрической и композиционной формы, недоступные традиционными методами производства. Однако неравномерные и далекие от равновесных условия нагрева/охлаждения представляют собой серьезную проблему для последовательного получения желаемых фаз в напечатанных деталях. Здесь мы сообщаем о разработке мартенситной нержавеющей стали, руководствуясь динамикой фазовых превращений, выявленной с помощью высокоскоростной дифракции рентгеновских лучей с высокой энергией и высоким разрешением in-situ. Эта разработанная нержавеющая сталь стабильно формирует желаемую полностью мартенситную структуру в широком диапазоне скоростей охлаждения (102–107 ℃/с), что позволяет осуществлять прямую печать деталей с полностью мартенситной структурой. Напечатанный материал имеет предел текучести 1157 ± 23 МПа, что сравнимо с его деформируемым аналогом после дисперсионно-твердеющей термообработки. Свойства напечатанного материала объясняются полностью мартенситной структурой и мелкими выделениями, образующимися во время внутренней термообработки в аддитивном производстве. Представленная здесь стратегия разработки сплавов, управляемая динамикой фазовых превращений, открывает путь к разработке надежных, высокопроизводительных сплавов, специально предназначенных для аддитивного производства.