Исследователи систематически исследовали влияние состава сплава на пригодность для печати и затвердевание микроструктур, чтобы лучше понять, как состав сплава, параметры процесса и термодинамика влияют на детали, изготовленные аддитивным способом. С помощью экспериментов по 3D-печати они определили химический состав сплава и параметры процесса, необходимые для оптимизации свойств сплава и печати превосходных идентичных деталей в микромасштабе. Используя машинное обучение, они создали формулу, которую можно использовать с любым типом сплава, чтобы предотвратить неоднородность.
Новый метод, разработанный исследователями Texas A&M, оптимизирует свойства сплава и параметры процесса для создания превосходных металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере. Здесь представлена ​​цветная электронная микрофотография сплава никелевого порошка, использованного в исследовании. Любезно предоставлено Райаном Сиде.
Новый метод, разработанный исследователями Texas A&M, оптимизирует свойства сплава и параметры процесса для создания превосходных металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере. Здесь представлена ​​цветная электронная микрофотография сплава никелевого порошка, использованного в исследовании. Любезно предоставлено Райаном Сиде.

Порошки легированных металлов, используемые для аддитивного производства, могут содержать смесь металлов, таких как никель, алюминий и магний, в различных концентрациях. Во время 3D-печати методом наплавления порошков в лазерном слое эти порошки быстро охлаждаются после нагрева лазерным лучом. Различные металлы в порошке сплава имеют разные охлаждающие свойства и затвердевают с разной скоростью. Это несоответствие может создать микроскопические дефекты или микросегрегацию.

«Когда порошок сплава охлаждается, отдельные металлы могут выпадать в осадок», - сказал исследователь Райан Сиде. «Представьте, что вы вливаете соль в воду. Он растворяется сразу же, когда количество соли невелико, но по мере того, как вы добавляете больше соли, избыточные частицы соли, которые не растворяются, начинают выпадать в осадок в виде кристаллов. По сути, именно это и происходит с нашими металлическими сплавами, когда они быстро остывают после печати ». Сиде сказал, что этот дефект проявляется в виде крошечных карманов, содержащих немного другую концентрацию металлических ингредиентов, чем в других частях отпечатанной детали.

Исследователи исследовали микроструктуры затвердевания четырех бинарных сплавов на основе никеля. В ходе экспериментов они изучали физическую фазу каждого сплава при различных температурах и увеличивающихся концентрациях другого металла в сплаве на основе никеля. Используя подробные фазовые диаграммы, исследователи определили химический состав каждого сплава, который вызовет наименьшую микросегрегацию во время аддитивного производства.

Затем исследователи расплавили одну дорожку металлического порошка сплава при различных настройках лазера и определили параметры процесса плавления в лазерном порошковом слое, которые позволили бы получить детали без пористости.
Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, поперечного сечения сплава никеля и цинка с одного лазерного сканирования. Здесь темные, богатые никелем фазы чередуются с более светлыми фазами с однородной микроструктурой. В структуре ванны расплава также можно наблюдать поры. Любезно предоставлено Райаном Сиде.
Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, поперечного сечения сплава никеля и цинка с одного лазерного сканирования. Темные, богатые никелем фазы чередуются с более светлыми фазами с однородной микроструктурой. В структуре ванны расплава также можно наблюдать поры. Любезно предоставлено Райаном Сиде.

Информация, полученная из фазовых диаграмм, в сочетании с результатами однодорожечных экспериментов, предоставила команде исчерпывающий анализ настроек лазера и составов сплавов на основе никеля, которые могут дать печатную деталь без пористости без микросегрегации.

Затем исследователи обучили модели машинного обучения выявлению закономерностей в однопутных экспериментальных данных и фазовых диаграммах, чтобы разработать уравнение для микросегрегации, которое можно было бы использовать с любым сплавом. Сиде сказал, что уравнение предназначено для прогнозирования степени сегрегации с учетом диапазона затвердевания сплава и свойств материала, а также мощности и скорости лазера.

«Мы глубоко погружаемся в тонкую настройку микроструктуры сплавов, чтобы можно было лучше контролировать свойства конечного печатного объекта в гораздо более мелком масштабе, чем раньше», - сказал Сиде.

По мере увеличения использования сплавов в AM будут возникать проблемы с печатью деталей, которые соответствуют стандартам качества производства или превосходят их. Исследование Texas A&M позволит производителям оптимизировать химический состав сплава и параметры процесса, чтобы сплавы можно было разрабатывать специально для аддитивного производства, а производители могли контролировать микроструктуры на месте.

«Наша методология упрощает успешное использование сплавов различного состава для аддитивного производства, не беспокоясь о появлении дефектов даже в микромасштабе», - сказал профессор Ибрагим Караман. «Эта работа принесет большую пользу аэрокосмической, автомобильной и оборонной отраслям, которые постоянно ищут лучшие способы изготовления нестандартных металлических деталей».

Профессор Раймундо Аррояве и профессор Алаа Элвани, которые сотрудничали с Сиде и Караманом в исследовании, сказали, что методология может быть легко адаптирована отраслями промышленности для создания прочных, бездефектных деталей из выбранного сплава.