技术突破:3D打印高强度无缺陷马氏体钢,达1.4GPa拉伸强度

fanfan   ·   发表于 6个月前   ·   趣味科技

高强度3D打印马氏体钢技术取得突破!这项技术是美国德克萨斯州农工大学工程学院与美国空军研究实验室科学家合作的结果,可能会在航空航天、汽车和国防工业中得到应用。



用于3D打印的马氏体钢粉。插图显示了钢粉的放大视图。


几千年来,冶金学家一直在精心调整钢的成分以增强其性能。直到今天,有一种叫做马氏体钢的产品在其钢铁类别中脱颖而出,因为它的强度更高且更具成本效益。

马氏体钢非常适用于航空航天,汽车和国防工业等需要制造高强度、轻质零件而又不增加成本的应用。但是,对于这些和其他应用,必须将金属构建为复杂的结构,同时将强度和耐用性损失降至最低。得克萨斯州A&M大学的研究人员与空军研究实验室的科学家合作,现已探索出工艺,可以将马氏体钢3D打印到几乎任何形状的非常坚固、无缺陷的零件。

一种低合金马氏体钢,AF9628,由于形成了ε-碳化物相,其强度大于1.5 GPa,拉伸延展性超过10%。使用研究选择性激光熔化(SLM)对这种新型钢的组织和力学性能的影响。介绍了一种用于确定无孔零件制造过程参数的优化工艺。该工艺利用了计算成本低廉的Eagar-Tsai模型,并通过单轨实验对其进行了校准,预测熔池的几何形状。为了避免在打印部件中产生由熔合引起的孔隙率,还开发了一种用于确定最大允许舱口间距的几何标准。使用该工艺,可以在各种工艺参数上成功制造出全密度样品,从而可以构建AF9628的SLM工艺图。打印后的样品显示出高达1.4 GPa的拉伸强度,这是迄今为止任何3D打印合金中报道的最高强度,伸长率高达11%。在保持全密度的同时,在工艺参数选择方面表现出的灵活性也为局部微结构改进和参数优化提供了可能性,以改善打印零件的机械性能。
雪佛龙一世教授兼材料部负责人易卜拉欣·卡拉曼说:“强韧钢具有广泛的应用,但最坚固的钢通常很昂贵,其中一个例外是相对便宜的马氏体钢,每磅成本不到一美元。” “我们已经开发出一种工艺,以便可以将这些硬钢进行3D打印成任何所需的几何形状,并且最终的物体几乎没有缺陷。”

尽管最初开发的工艺是针对马氏体钢的,但得克萨斯州A&M的研究人员表示,他们已将技术变得足够通用,因此同一3D打印管道也可以用于由其他金属和合金建造复杂的物体。这项研究的结果发表在 2019年 12月的“ Acta Materialia ”杂志上 ,题目是“An ultra-high strength martensitic steel fabricated using selective laser melting additive manufacturing: Densification, microstructure, and mechanical properties”




钢由铁和少量其他元素(包括碳)制成。当将钢加热到极高的温度然后迅速冷却时,就会形成马氏体钢。突然的冷却自然地将碳原子限制在铁晶体中,使马氏体钢具有其标志性的强度。

为了具有多种用途,需要根据特定应用将马氏体钢,特别是称为低合金马氏体钢的类型组装成具有不同形状和尺寸的物体。那时,增材制造(通常称为3D打印)提供了实用的解决方案。使用这项技术,可以通过使用高能激光束按照图案将单层金属粉末加热并熔化,从而逐层构建复杂的零件。连接并堆叠的所有这些层打印出最终的3D打印对象。

但是,使用激光的3D打印马氏体钢会产生材料内的孔隙形式的缺陷。
卡拉曼说:“孔隙是微小的孔,即使3D打印所用的原材料非常坚固,它们也可以大大降低最终3D打印对象的强度。” “要找到新型马氏体钢的实际应用,我们需要回到基础源头上,研究哪种激光设置可以防止这些缺陷。”



△美国空军研究基地对AF9628 打印样品进行了气孔、机械强度和冲击韧性等研究,显示器机械性能非常好


对于他们的实验,Karaman和Texas A&M团队首先选择了一个受焊接启发的现有数学模型,以预测在不同的激光速度和功率设置下,单层马氏体钢粉将如何熔化。通过将他们在单条熔融粉末中观察到的缺陷的类型和数量与模型的预测值进行比较,他们可以略微更改其现有参数,从而改善后续的预测。

经过几次这样的迭代之后,如果一组未经测试的新激光设置会导致马氏体钢中的缺陷,那么它们的工艺就可以正确预测,而无需进行其他实验。研究人员表示,这样会更省时。


△美国空军研究基地对打印的AF9628部件进行热分析


“测试激光设置的整个范围以评估哪些设置可能导致缺陷是非常耗时的,有时甚至是不切实际的,” 工程学院的研究生,该研究的主要作者Raiyan Seede说。。“通过结合实验和建模,我们能够开发出一种简单,快速,循序渐进的程序,可用于确定哪种设置最适合马氏体钢的3D打印。”

Seede还指出,尽管制定了指导方案以确保可以打印不变形的马氏体钢,但其工艺可以用于与任何其他金属一起打印。他说,这种扩展的应用是因为它们的框架可以适应任何给定金属的单轨实验观察结果。

卡拉曼说:“尽管我们从专注于马氏体钢的3D打印开始,但此后我们创建了一个更通用的打印方案。” “此外,我们的指南简化了3D打印金属的工艺,使最终产品没有气孔,这对于所有类型的金属增材制造行业来说都是一项重要的发展,无论是螺丝一样简单的零件,还是到起落架、变速箱等更复杂的零件或涡轮机。”


这项研究的其他贡献者包括材料科学与工程系的Austin Whitt和RaymundoArróyave。工业和系统工程系的 David Shoukr,Bing Zhang和Alaa Elwany ;佛罗里达空军研究实验室的Sean Gibbons和Philip Flater。这项研究由陆军研究办公室和空军研究实验室资助。


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