Ingenieure 3-D-Druck hochfestes Aluminium, lösen uralte Schweißprobleme mit Nanopartikeln

Anonim

HRL Laboratories hat einen Durchbruch in der Metallurgie mit der Ankündigung, dass Forscher in der berühmten Einrichtung ein Verfahren für den erfolgreichen 3D-Druck hochfester Aluminiumlegierungen - einschließlich der Typen Al7075 und Al6061 - entwickelt haben, das die Tür zur additiven Fertigung von technisch relevanten Legierungen öffnet. Diese Legierungen sind für Flugzeug- und Automobilteile sehr wünschenswert und gehörten zu Tausenden, die der additiven Fertigung - 3D-Drucken - nicht zugänglich waren - eine Schwierigkeit, die von den HRL-Forschern gelöst wurde. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass ihr Verfahren auf zusätzliche Legierungsfamilien wie hochfeste Stähle und Nickelbasis-Superlegierungen angewendet werden kann, die derzeit in der additiven Fertigung schwierig zu verarbeiten sind.

"Wir verwenden eine 70 Jahre alte Nukleationstheorie, um ein 100 Jahre altes Problem mit einer Maschine des 21. Jahrhunderts zu lösen", sagte Hunter Martin, der das Team zusammen mit Brennan Yahata leitete. Beide sind Ingenieure im HRL-Labor für Sensoren und Materialien und Doktoranden an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, wo sie bei Professorin Tresa Pollock, einer Co-Autorin der Studie, studieren. Ihr Papier 3D-Druck von hochfesten Aluminiumlegierungen wurde in der Ausgabe von Nature vom 21. September 2017 veröffentlicht.

Die additive Herstellung von Metallen beginnt typischerweise mit Legierungspulvern, die in dünnen Schichten aufgetragen und mit einem Laser oder einer anderen direkten Wärmequelle erhitzt werden, um die Schichten zu schmelzen und zu verfestigen. Wenn hochfeste nicht schmelzbare Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise Al7075 oder AL6061, verwendet werden, erleiden die resultierenden Teile normalerweise eine starke Heißrissbildung - ein Zustand, bei dem ein Metallteil wie ein schuppiger Keks auseinandergezogen werden kann.

Die Nanopartikel-Funktionalisierungstechnik von HRL löst dieses Problem, indem hochfeste nicht schmelzbare Legierungspulver mit speziell ausgewählten Nanopartikeln dekoriert werden. Das mit Nanopartikeln funktionalisierte Pulver wird in einen 3D-Drucker eingespeist, der das Pulver schichtet und jede Schicht mit einem Laser verschmilzt, um ein dreidimensionales Objekt zu konstruieren. Während des Schmelzens und der Verfestigung wirken die Nanopartikel als Keimbildungsorte für die gewünschte Legierungsmikrostruktur, wodurch eine Heißrissbildung verhindert wird und die volle Legierungsfestigkeit im hergestellten Teil erhalten bleibt.

Da das Schmelzen und Erstarren in der additiven Fertigung analog zum Schweißen ist, kann die Nanopartikel-Funktionalisierung von HRL auch dazu genutzt werden, nicht schmelzbare Legierungen schweißbar zu machen. Diese Technik ist ebenfalls skalierbar und verwendet kostengünstige Materialien. Herkömmliche Legierungspulver und Nanopartikel erzeugen eine Druckerbeschickung mit Nanopartikeln, die gleichmäßig auf der Oberfläche der Pulverkörner verteilt sind.

"Unser erstes Ziel war es, herauszufinden, wie man die Heißrissbildung vollständig eliminieren kann. Wir wollten die Mikrostruktur kontrollieren, und die Lösung sollte etwas sein, was natürlich mit der Art und Weise geschieht, wie sich dieses Material verfestigt", sagte Martin.

Um die richtigen Nanopartikel, in diesem Fall Nanopartikel auf Zirkoniumbasis, zu finden, beauftragte das HRL-Team die Citrin-Informatik, die unzähligen möglichen Partikel zu sortieren, um die mit den von ihnen benötigten Eigenschaften zu finden.

"Die Verwendung von Informatik war der Schlüssel", sagte Yahata. "Die Art und Weise, wie Metallurgie betrieben wurde, bestand darin, das Periodensystem für Legierungselemente zu bewirtschaften und größtenteils mit Versuch und Irrtum zu testen. Der Sinn der Verwendung von Informatiksoftware war ein selektiver Ansatz für die Nukleationstheorie, die wir kennen mussten, um die Materialien zu finden Eigenschaften, die wir brauchten. Sobald wir ihnen gesagt hatten, worauf sie achten mussten, verengten sie durch ihre Big-Data-Analyse den Bereich der verfügbaren Materialien von Hunderttausenden bis hin zu einigen wenigen. Wir gingen von einem Heuhaufen zu einer Handvoll möglicher Nadeln. "

Mit dieser aufregenden neuen Technik steht HRL an der Spitze eines neuen Kapitels der additiven Fertigung von Metallen für Forschung, Industrie und Verteidigung.

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