Korzystając z zaawansowanych technik rentgenowskich, naukowcy osiągnęli znaczący kamień milowy w druku 3D, produkując stal nierdzewną 17-4 PH o doskonałej wytrzymałości i trwałości.
Rozwój ten obiecuje obniżyć koszty i zwiększyć elastyczność produkcji, oferując głębokie implikacje dla wytwarzania złożonych materiałów.
Przełom w druku 3D stali nierdzewnej
Naukowcy opracowali niezawodną metodę produkcji określonego rodzaju stali nierdzewnej o twardości 17-4 PH za pomocą wytwarzania przyrostowego lub druku 3D. Historycznie rzecz biorąc, drukowanie 3D stali i innych stopów było problematyczne ze względu na szybkie zmiany temperatury, jakim ulegają te materiały podczas podgrzewania przez lasery w drukarkach 3D. Fluktuacje te zakłócają strukturalny układ atomów, pogarszając wytrzymałość materiału. Wykorzystując jasne wiązki promieni rentgenowskich, naukowcy monitorowali te szybkie zmiany w czasie rzeczywistym i modyfikowali skład chemiczny, aby im przeciwdziałać, zwiększając w ten sposób trwałość produktu końcowego.
Znana ze swojej wytrzymałości i odporności na korozję stal nierdzewna 17-4 PH jest wykorzystywana w maszynach przemysłowych, statkach morskich, samolotach i urządzeniach medycznych. Te nowe udoskonalenia mogą umożliwić producentom komponentów o 17-4 PH obniżenie kosztów i poprawę elastyczności produkcji. Co więcej, techniki opracowane w tym badaniu torują drogę do głębszego zrozumienia sposobu drukowania 3D różnych materiałów, jednocześnie poprawiając ich właściwości i wydajność.
Innowacje w produkcji przyrostowej
Druk 3D, zwany także wytwarzaniem przyrostowym, to bezpośrednie i integralne tworzenie trójwymiarowego obiektu z modelu cyfrowego, warstwa po warstwie. Stopy metali są szczególnie trudne do drukowania w ten sposób ze względu na szybkie zmiany temperatury występujące podczas procesu. Wykorzystanie druku 3D do odtworzenia trwałego materiału, takiego jak stal nierdzewna 17-4 PH, wymaga możliwości dokładnego monitorowania tych szybkich zmian w miarę ich zachodzenia i wprowadzania modyfikacji w strukturze krystalicznej materiału.
Monitorowanie druku 3D stali nierdzewnej 17-4 PH było możliwe dzięki jasnym wiązkom promieni rentgenowskich w Zaawansowane źródło fotonów (APS), Biuro ds. Nauki Departamentu Energii, obiekt użytkownika źródła światła w Argonne National Laboratory. Naukowcy wykorzystali wysokoenergetyczną dyfrakcję promieni rentgenowskich do przechwytywania obrazów co kilka milisekund podczas podgrzewania i schładzania materiału. Korzystając z tych obrazów, zespół zmapował korelację między zmianami parametrów procesu a modyfikacjami struktury kryształu, a następnie wykorzystał tę analizę do wytyczne stop opracowanie mające na celu optymalizację procesu drukowania. Następnie wykorzystali rozpraszanie promieni rentgenowskich pod małymi kątami w APS, aby scharakteryzować drobne anomalie strukturalne zwane nanoprecypitatami, które silnie wpływają na ostateczną wytrzymałość drukowanej części ze stali nierdzewnej. Opracowana metoda umożliwi producentom konsekwentną i opłacalną produkcję jednego z najtwardszych materiałów na świecie.
Odniesienie: „Opracowanie stopu sterowane dynamiką transformacji fazowej do wytwarzania przyrostowego” autorstwa Qilin Guo, Minglei Qu, Chihpin Andrew Chuang, Lianghua Xiong, Ali Nabaa, Zachary A. Young, Yang Ren, Peter Kenesei, Fan Zhang i Lianyi Chen, 2 sierpnia 2022 r. , Produkcja przyrostowa.
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103068
Prace te zostały sfinansowane przez National Science Foundation (NSF) i University of Wisconsin-Madison Startup Fund i wykorzystano zasoby Centrum Technologii Nanoskali UW-Madison Wisconsin, częściowo wspierane przez NSF za pośrednictwem Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów Uniwersytetu Wisconsin. W badaniu wykorzystano także zasoby Advanced Photon Source, obiektu użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii.
