Дослідники систематично досліджували вплив складу сплаву на придатність до друку та затвердіння мікроструктур, щоб краще зрозуміти, як склад сплаву, технологічні змінні та термодинаміка впливають на деталі, виготовлені аддитивно. За допомогою експериментів із 3D-друку вони визначили хімічний склад сплаву та технологічні параметри, необхідні для оптимізації властивостей сплаву та друку кращих, ідентичних деталей у мікромасштабі. Використовуючи машинне навчання, вони створили формулу, яку можна використовувати з будь-яким типом сплаву, щоб запобігти неоднорідності.
Новий метод, розроблений дослідниками Texas A&M, оптимізує властивості сплаву та параметри процесу для створення чудових металевих деталей, надрукованих на 3D-друку. Тут показана кольорова електронна мікрофотографія нікелевого порошкового сплаву, використаного під час дослідження. Надано Raiyan Seede.
Новий метод, розроблений дослідниками Texas A&M, оптимізує властивості сплаву та параметри процесу для створення чудових металевих деталей, надрукованих на 3D-друку. Тут показана кольорова електронна мікрофотографія нікелевого порошкового сплаву, використаного під час дослідження. Надано Raiyan Seede.

Порошки сплавів металів, які використовуються для адитивного виробництва, можуть містити суміш металів, таких як нікель, алюміній і магній, у різних концентраціях. Під час 3D-друку на основі лазерного ліжка ці порошки швидко охолоджуються після їх нагрівання лазерним променем. Різні метали в порошку сплаву мають різні властивості охолодження і тверднуть з різною швидкістю. Ця невідповідність може створити мікроскопічні дефекти або мікросегрегацію.

«Коли порошок сплаву охолоджується, окремі метали можуть випадати в осад», — сказав дослідник Райян Сіде. «Уявіть, що ви насипаєте сіль у воду. Вона розчиняється відразу, коли кількість солі невелика, але коли ви насипаєте більше солі, надлишки солі, які не розчиняються, починають випадати в осад у вигляді кристалів. По суті, це те, що відбувається в наших металевих сплавах, коли вони швидко остигають після друку». Сіде сказав, що цей дефект виглядає у вигляді крихітних кишень, що містять дещо іншу концентрацію металевих інгредієнтів, ніж в інших областях друкованої частини.

Дослідники досліджували мікроструктури затвердіння чотирьох бінарних сплавів на основі нікелю. В експериментах вони вивчали фізичну фазу для кожного сплаву при різних температурах і при зростаючих концентраціях іншого металу в сплаві на основі нікелю. Використовуючи детальні фазові діаграми, дослідники визначили хімічний склад кожного сплаву, який би викликав найменшу мікросегрегацію під час адитивного виробництва.

Далі дослідники розплавили одну доріжку порошку легованого металу при різних налаштуваннях лазера і визначили параметри процесу сплавлення лазерного порошкового шару, які забезпечили б деталі без пор.
Зображення скануючого електронного мікроскопа одного поперечного зрізу сплаву нікелю та цинку. Тут темні, багаті нікелем фази перемежовують світлі фази з однорідною мікроструктурою. У структурі басейну розплаву також можна спостерігати пору. Надано Raiyan Seede.
Зображення скануючого електронного мікроскопа одного поперечного зрізу сплаву нікелю та цинку. Темні фази, багаті нікелем, перемежовують світлі фази з однорідною мікроструктурою. У структурі басейну розплаву також можна спостерігати пору. Надано Raiyan Seede.

Інформація, отримана з фазових діаграм, у поєднанні з результатами одноколійних експериментів, надала команді всебічний аналіз налаштувань лазера та композицій сплавів на основі нікелю, які могли б отримати друковану деталь без пор без мікросегрегації.

Далі дослідники навчили моделі машинного навчання для визначення закономірностей в одноколійних експериментальних даних і фазових діаграмах, щоб розробити рівняння для мікросегрегації, яке можна було б використовувати з будь-яким сплавом. Сіде сказав, що рівняння розроблено для прогнозування ступеня сегрегації, враховуючи діапазон затвердіння сплаву і властивості матеріалу, а також потужність і швидкість лазера.

«Ми глибоко занурюємося в точне налаштування мікроструктури сплавів, щоб мати більше контролю над властивостями кінцевого друкованого об’єкта в набагато більш тонкому масштабі, ніж раніше», – сказав Сіде.

Зі збільшенням використання сплавів у AM збільшуються проблеми з друкуванням деталей, які відповідають або перевищують стандарти якості виробництва. Дослідження Texas A&M дозволить виробникам оптимізувати хімію сплавів і технологічні параметри, щоб сплави могли бути розроблені спеціально для адитивного виробництва, а виробники могли контролювати мікроструктури локально.

“Our methodology eases the successful use of alloys of different compositions for additive manufacturing without the concern of introducing defects, even at the microscale,” professor Ibrahim Karaman said. “This work will be of great benefit to the aerospace, automotive, and defense industries that are constantly looking for better ways to build custom metal parts.”

Професор Раймундо Аррояве та професор Алаа Ельвані, які співпрацювали з Сіде та Караманом у дослідженні, сказали, що методологію можна легко адаптувати галузями для створення міцних, бездефектних деталей із обраного ними сплаву.