Les chercheurs ont systématiquement étudié les effets de la composition de l'alliage sur l'imprimabilité et la solidification des microstructures, afin de mieux comprendre comment la composition de l'alliage, les variables de processus et la thermodynamique affectaient les pièces fabriquées de manière additive. Grâce à des expériences d'impression 3D, ils ont défini les chimies d'alliage et les paramètres de processus nécessaires pour optimiser les propriétés de l'alliage et imprimer des pièces supérieures et identiques à l'échelle microscopique. En utilisant l'apprentissage automatique, ils ont créé une formule qui peut être utilisée avec n'importe quel type d'alliage pour aider à prévenir la non-uniformité.
Une nouvelle méthode développée par les chercheurs de Texas A&M optimise les propriétés des alliages et les paramètres de traitement pour créer des pièces métalliques imprimées en 3D de qualité supérieure. Voici une micrographie électronique colorisée d'un alliage de poudre de nickel utilisé dans l'étude. Avec l'aimable autorisation de Raiyan Seede.
Une nouvelle méthode développée par les chercheurs de Texas A&M optimise les propriétés des alliages et les paramètres de traitement pour créer des pièces métalliques imprimées en 3D de qualité supérieure. Voici une micrographie électronique colorisée d'un alliage de poudre de nickel utilisé dans l'étude. Avec l'aimable autorisation de Raiyan Seede.

Les poudres métalliques d'alliage utilisées pour la fabrication additive peuvent contenir un mélange de métaux, tels que le nickel, l'aluminium et le magnésium, à différentes concentrations. Lors de l'impression 3D par fusion de poudre sur lit laser, ces poudres refroidissent rapidement après avoir été chauffées par un faisceau laser. Les différents métaux dans la poudre d'alliage ont des propriétés de refroidissement différentes et se solidifient à des vitesses différentes. Cette incohérence peut créer des défauts microscopiques, ou microségrégation.

"Lorsque la poudre d'alliage refroidit, les métaux individuels peuvent précipiter", a déclaré le chercheur Raiyan Seede. « Imaginez verser du sel dans l'eau. Il se dissout immédiatement lorsque la quantité de sel est faible, mais lorsque vous versez plus de sel, les particules de sel en excès qui ne se dissolvent pas commencent à précipiter sous forme de cristaux. C'est essentiellement ce qui se passe dans nos alliages métalliques lorsqu'ils refroidissent rapidement après l'impression. Seede a déclaré que ce défaut apparaît sous la forme de minuscules poches contenant une concentration légèrement différente des ingrédients métalliques de celle trouvée dans d'autres zones de la pièce imprimée.

Les chercheurs ont étudié les microstructures de solidification de quatre alliages binaires à base de nickel. Au cours d'expériences, ils ont étudié la phase physique de chaque alliage à différentes températures et à des concentrations croissantes de l'autre métal dans l'alliage à base de nickel. À l'aide de diagrammes de phases détaillés, les chercheurs ont déterminé la composition chimique de chaque alliage qui provoquerait le moins de microségrégation lors de la fabrication additive.

Ensuite, les chercheurs ont fait fondre une seule piste de la poudre de métal d'alliage à différents réglages laser et ont déterminé les paramètres du processus de fusion sur lit de poudre laser qui fourniraient des pièces sans porosité.
Image au microscope électronique à balayage d'une section transversale de balayage laser unique d'un alliage de nickel et de zinc. Ici, des phases sombres riches en nickel s'entrelacent avec des phases plus claires avec une microstructure uniforme. Un pore peut également être observé dans la structure du bain de fusion. Avec l'aimable autorisation de Raiyan Seede.
Image au microscope électronique à balayage d'une section transversale de balayage laser unique d'un alliage de nickel et de zinc. Des phases sombres riches en nickel s'entrelacent avec des phases plus claires avec une microstructure uniforme. Un pore peut également être observé dans la structure du bain de fusion. Avec l'aimable autorisation de Raiyan Seede.

Les informations obtenues à partir des diagrammes de phase, combinées aux résultats des expériences à piste unique, ont fourni à l'équipe une analyse complète des paramètres laser et des compositions d'alliage à base de nickel qui pourraient produire une pièce imprimée sans porosité et sans microségrégation.

Les chercheurs ont ensuite formé des modèles d'apprentissage automatique pour identifier des modèles dans les données expérimentales à piste unique et les diagrammes de phase, afin de développer une équation de microségrégation qui pourrait être utilisée avec n'importe quel alliage. Seede a déclaré que l'équation est conçue pour prédire l'étendue de la ségrégation compte tenu de la plage de solidification de l'alliage et des propriétés du matériau, ainsi que de la puissance et de la vitesse du laser.

"Nous plongeons en profondeur dans le réglage fin de la microstructure des alliages afin qu'il y ait plus de contrôle sur les propriétés de l'objet imprimé final à une échelle beaucoup plus fine qu'auparavant", a déclaré Seede.

À mesure que l'utilisation d'alliages dans la FA augmente, les défis liés à l'impression de pièces qui respectent ou dépassent les normes de qualité de fabrication augmenteront également. L'étude Texas A&M permettra aux fabricants d'optimiser la chimie des alliages et les paramètres de processus afin que les alliages puissent être conçus spécifiquement pour la fabrication additive et que les fabricants puissent contrôler les microstructures localement.

"Notre méthodologie facilite l'utilisation réussie d'alliages de différentes compositions pour la fabrication additive sans se soucier d'introduire des défauts, même à l'échelle microscopique", a déclaré le professeur Ibrahim Karaman. "Ce travail sera très bénéfique pour les industries de l'aérospatiale, de l'automobile et de la défense qui recherchent constamment de meilleures façons de fabriquer des pièces métalliques personnalisées."

Le professeur Raymundo Arroyavé et le professeur Alaa Elwany, qui ont collaboré avec Seede et Karaman sur la recherche, ont déclaré que la méthodologie peut facilement être adaptée par les industries pour construire des pièces robustes et sans défaut avec l'alliage de leur choix.