В течение тысячелетий металлурги тщательно настраивали компоненты стали, чтобы улучшить ее свойства. В результате несколько вариантов стали существуют сегодня; но один тип, называемый мартенситной сталью, отличается от своих стальных собратьев как более прочный и более рентабельный в производстве. Следовательно, мартенситные стали, естественно, пригодны для применения в аэрокосмической, автомобильной и оборонной промышленности, среди прочего, где необходимо изготавливать высокопрочные, легкие детали без повышения стоимости.

Однако для этих и других применений металлы должны быть встроены в сложные конструкции с минимальными потерями прочности и долговечности. Исследователи из Техасского университета AM в сотрудничестве с учеными из Исследовательской лаборатории ВВС в настоящее время разработали руководящие принципы, которые позволяют 3D-печати мартенситных сталей в очень прочные, бездефектные объекты практически любой формы.

«Сильные и прочные стали имеют огромное применение, но самые прочные, как правило, дорогие. Исключением являются мартенситные стали, которые относительно недороги и стоят менее доллара за фунт». сказал д-р Ибрагим Караман, профессор Chevron I и глава Кафедра материаловедения и техники. «Мы разработали каркас, чтобы 3D-печать этих твердых сталей была возможна в любой желаемой геометрии, и конечный объект был бы практически без дефектов».

Хотя первоначально эта процедура была разработана для мартенситных сталей, исследователи из Texas AM заявили, что они сделали свои руководящие принципы достаточно общими, чтобы тот же конвейер трехмерной печати можно было использовать для создания сложных объектов из других металлов и сплавов.

Результаты исследования были опубликованы в декабрьском номере журнала. Acta Materialia.

Стали изготавливаются из железа и небольшого количества других элементов, в том числе из углерода. Мартенситные стали образуются, когда стали нагревают до чрезвычайно высоких температур, а затем быстро охлаждают. Внезапное охлаждение неестественно ограничивает атомы углерода в кристаллах железа, придавая мартенситной стали свою фирменную прочность.

Чтобы иметь разнообразные применения, мартенситные стали, особенно тип, называемый низколегированными мартенситными сталями, необходимо собирать в объекты различных форм и размеров в зависимости от конкретного применения. Именно тогда аддитивное производство, более известное как 3D-печать, дает практическое решение. Используя эту технологию, сложные элементы можно создавать слой за слоем, нагревая и расплавляя один слой металлического порошка по схеме с острым лазерным лучом. Каждый из этих слоев, соединенных и сложенных, создает конечный 3D-печатный объект.

Однако 3D-печать мартенситных сталей с использованием лазеров может привести к непреднамеренным дефектам в виде пор внутри материала.

«Пористости. это крошечные отверстия, которые могут резко снизить прочность конечного 3D-печатного объекта, даже если сырье, используемое для 3D-печати, очень прочное». сказал Караман. «Чтобы найти практические применения для новой мартенситной стали, нам нужно было вернуться к чертежной доске и выяснить, какие настройки лазера могут предотвратить эти дефекты».

Для своих экспериментов Караман и команда Texas AM сначала выбрали существующую математическую модель, вдохновленную сваркой, чтобы предсказать, как один слой мартенситного стального порошка будет плавиться при различных настройках скорости и мощности лазера. Сравнивая тип и количество дефектов, которые они наблюдали на одной дорожке расплавленного порошка, с прогнозами модели, они смогли немного изменить существующую структуру, чтобы улучшить последующие прогнозы.

После нескольких таких итераций их структура могла бы правильно прогнозировать, не требуя дополнительных экспериментов, если новый, непроверенный набор настроек лазера приведет к дефектам в мартенситной стали. Исследователи сказали, что эта процедура более эффективна по времени.

«Испытание всего спектра возможностей лазерной установки для определения того, какие из них могут привести к дефектам, отнимает очень много времени, а порой даже нецелесообразно». сказал Райан Сиде, аспирант инженерного колледжа и основной автор исследования. , «Объединив эксперименты и моделирование, мы смогли разработать простую, быструю, пошаговую процедуру, которая может быть использована для определения того, какая настройка лучше всего подойдет для 3D-печати мартенситных сталей».

Зиде также отметил, что, хотя их руководящие принципы были разработаны для обеспечения возможности печати мартенситных сталей без деформаций, их каркас можно использовать для печати любым другим металлом. Он сказал, что это расширенное применение объясняется тем, что их структура может быть адаптирована для соответствия наблюдениям из одноканальных экспериментов для любого конкретного металла.

«Хотя мы начали с 3D-печати на мартенситных сталях, с тех пор мы создали более универсальный конвейер для печати». сказал Караман. «Кроме того, наши руководящие принципы упрощают искусство 3D-печати металлов, так что конечный продукт не имеет пористости, что является важной разработкой для всех типов отраслей промышленности, связанных с добавками металлов, которые делают детали такими же простыми, как винты, для более сложных, таких как шасси, редукторы или турбины. "