Forskarna undersökte systematiskt legeringssammansättningens effekter på tryckbarheten och stelningen av mikrostrukturer, för att bättre förstå hur legeringssammansättning, processvariabler och termodynamik påverkade additivt tillverkade delar. Genom 3D-utskriftsexperiment definierade de legeringskemi och processparametrar som krävs för att optimera legeringsegenskaper och skriva ut överlägsna, identiska delar i mikroskala. Med hjälp av maskininlärning skapade de en formel som kan användas med alla typer av legeringar för att förhindra ojämnhet.
En ny metod utvecklad av Texas A&M-forskare optimerar legeringsegenskaper och processparametrar för att skapa överlägsna 3D-printade metalldelar. Här visas ett färgat elektronmikrofoto av en nickelpulverlegering som användes i studien. Med tillstånd av Raiyan Seede.
En ny metod utvecklad av Texas A&M-forskare optimerar legeringsegenskaper och processparametrar för att skapa överlägsna 3D-printade metalldelar. Här visas ett färgat elektronmikrofoto av en nickelpulverlegering som användes i studien. Med tillstånd av Raiyan Seede.

Legerade metallpulver som används för additiv tillverkning kan innehålla en blandning av metaller, såsom nickel, aluminium och magnesium, i olika koncentrationer. Under laserbäddpulverfusion 3D-utskrift kyls dessa pulver snabbt efter att de värmts upp av en laserstråle. De olika metallerna i legeringspulvret har olika kylningsegenskaper och stelnar med olika hastighet. Denna inkonsekvens kan skapa mikroskopiska brister eller mikrosegregering.

"När legeringspulvret svalnar kan de enskilda metallerna fällas ut", sa forskaren Raiyan Seede. "Tänk dig att hälla salt i vatten. Det löser sig direkt när mängden salt är liten, men när du häller mer salt börjar de överflödiga saltpartiklarna som inte löser sig fällas ut som kristaller. I grund och botten är det vad som händer i våra metallegeringar när de svalnar snabbt efter tryckning.” Seede sa att denna defekt framstår som små fickor som innehåller en något annorlunda koncentration av metallingredienserna än vad som finns i andra delar av den tryckta delen.

Forskarna undersökte stelningsmikrostrukturerna hos fyra binära nickelbaserade legeringar. I experiment studerade de den fysiska fasen för varje legering vid olika temperaturer och vid ökande koncentrationer av den andra metallen i den nickelbaserade legeringen. Med hjälp av detaljerade fasdiagram bestämde forskarna den kemiska sammansättningen av varje legering som skulle orsaka minst mikrosegregation under additiv tillverkning.

Därefter smälte forskarna ett enda spår av legeringsmetallpulvret vid olika laserinställningar och bestämde laserpulverbäddens fusionsprocessparametrar som skulle leverera porositetsfria delar.
En svepelektronmikroskopbild av en enda laserskanningstvärsektion av en nickel- och zinklegering. Här interfolierar mörka, nickelrika faser ljusare faser med enhetlig mikrostruktur. En por kan också observeras i smältbassängens struktur. Med tillstånd av Raiyan Seede.
En svepelektronmikroskopbild av en enda laserskanningstvärsektion av en nickel- och zinklegering. Mörka, nickelrika faser interfolierar ljusare faser med enhetlig mikrostruktur. En por kan också observeras i smältbassängens struktur. Med tillstånd av Raiyan Seede.

Informationen som erhölls från fasdiagrammen, i kombination med resultaten från enkelspårsexperimenten, gav teamet en omfattande analys av laserinställningarna och nickelbaserade legeringskompositioner som kunde ge en porositetsfri tryckt del utan mikrosegregering.

Forskarna tränade sedan maskininlärningsmodeller för att identifiera mönster i enkelspårs experimentella data och fasdiagram, för att utveckla en ekvation för mikrosegregation som kan användas med vilken legering som helst. Seede sa att ekvationen är utformad för att förutsäga omfattningen av segregation med tanke på legeringens stelningsområde och materialegenskaper och laserns kraft och hastighet.

"Vi tar djupdykning i att finjustera mikrostrukturen hos legeringar så att det finns mer kontroll över egenskaperna hos det slutliga tryckta föremålet i en mycket finare skala än tidigare," sa Seede.

I takt med att användningen av legeringar i AM ökar, kommer även utmaningarna att öka när det gäller att skriva ut delar som uppfyller eller överträffar tillverkningens kvalitetsstandarder. Texas A&M-studien kommer att göra det möjligt för tillverkare att optimera legeringskemi och processparametrar så att legeringar kan designas specifikt för additiv tillverkning och tillverkare kan kontrollera mikrostrukturer lokalt.

"Vår metodik underlättar den framgångsrika användningen av legeringar av olika sammansättning för additiv tillverkning utan oron för att introducera defekter, även i mikroskala," sa professor Ibrahim Karaman. "Detta arbete kommer att vara till stor nytta för flyg-, fordons- och försvarsindustrin som ständigt letar efter bättre sätt att bygga anpassade metalldelar."

Professor Raymundo Arroyavé och professor Alaa Elwany, som samarbetade med Seede och Karaman i forskningen, sa att metodiken lätt kan anpassas av industrier för att bygga robusta, defektfria delar med valfri legering.