Новое исследование, проведенное учеными Техасского университета A&M, позволило еще больше усовершенствовать процесс создания металлических деталей высочайшего качества с использованием методов 3D-печати с использованием лазерного порошкового наплавления. Используя комбинацию машинного обучения и однопроцессорных экспериментов по 3D-печати, они определили благоприятный химический состав сплава и параметры процесса, такие как скорость и мощность лазера, необходимые для печати деталей с однородными свойствами на микромасштабе.
«Наша первоначальная задача заключалась в том, чтобы убедиться, что на печатных деталях нет пор, потому что это очевидный убийца для создания объектов с улучшенными механическими свойствами», – сказал Райан Сиде, докторант кафедры материаловедения и инженерии. «Но, решив эту проблему в нашей предыдущей работе, в этом исследовании мы глубоко погрузимся в тонкую настройку микроструктуры сплавов, чтобы можно было лучше контролировать свойства конечного печатаемого объекта в гораздо более мелком масштабе, чем раньше."
Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Additive Manufacturing.
Как и другие методы 3D-печати, лазерная порошковая наплавка также создает 3D-металлические детали слой за слоем. Процесс начинается с наматывания тонкого слоя металлического порошка на опорную пластину, а затем расплавления порошка лазерным лучом по дорожкам, которые отслеживают конструкцию поперечного сечения предполагаемой детали. Затем наносится еще один слой пудры и процесс повторяется, постепенно наращивая финальную деталь.
Порошки легированных металлов, используемые для аддитивного производства, могут быть самыми разнообразными и содержать смесь металлов, таких как никель, алюминий и магний, в различных концентрациях. Во время печати эти порошки быстро охлаждаются после нагрева лазерным лучом. Поскольку отдельные металлы в порошке сплава имеют очень разные охлаждающие свойства и, следовательно, затвердевают с разной скоростью, это несоответствие может создать микроскопический дефект, называемый микросегрегацией.
«Когда порошок сплава охлаждается, отдельные металлы могут выпадать в осадок», – сказал Сиде. "Представьте, что вы заливаете соль в воду.
Он сразу растворяется, когда количество соли невелико, но по мере того, как вы добавляете больше соли, избыточные частицы соли, которые не растворяются, начинают выпадать в осадок в виде кристаллов. По сути, именно это и происходит с нашими металлическими сплавами, когда они быстро остывают после печати."
Он сказал, что этот дефект проявляется в виде крошечных карманов, содержащих немного другую концентрацию металлических ингредиентов, чем в других частях печатной детали.
Эти несоответствия ухудшают механические свойства печатаемого объекта.
Чтобы исправить этот микродефект, исследовательская группа исследовала процесс затвердевания четырех сплавов, содержащих никель и еще один металлический ингредиент. В частности, для каждого из этих сплавов они изучили физические состояния или фазы, присутствующие при разных температурах, для увеличения концентрации другого металла в сплаве на основе никеля.
Следовательно, из подробных фазовых диаграмм они могут определить химический состав сплава, который приведет к минимальной микросегрегации во время аддитивного производства.
Затем они расплавили одну дорожку металлического порошка сплава для различных настроек лазера и определили параметры процесса, которые позволили бы получить детали без пористости. Затем они объединили информацию, полученную из фазовых диаграмм, с информацией, полученной в ходе однодорожечных экспериментов, чтобы получить сводное представление о настройках лазера и составах никелевых сплавов, которые позволили бы получить печатную деталь без пористости без микросегрегации.
Наконец, исследователи пошли еще дальше и обучили модели машинного обучения определять закономерности в данных однопутных экспериментов и фазовых диаграммах, чтобы разработать уравнение для микросегрегации, применимое к любому другому сплаву. Сиде сказал, что уравнение предназначено для прогнозирования степени сегрегации с учетом диапазона затвердевания, свойств материала, а также мощности и скорости лазера.
«Наша методология упрощает успешное использование сплавов различного состава для аддитивного производства без заботы о появлении дефектов, даже на микромасштабах», – сказал д-р. Ибрагим Караман, профессор компании Chevron I и руководитель отдела материаловедения и инженерии. «Эта работа принесет большую пользу аэрокосмической, автомобильной и оборонной отраслям, которые постоянно ищут лучшие способы изготовления нестандартных металлических деталей."
Соавторы исследования, д-р. Раймундо Арройаве и доктор. Алаа Элвани добавил, что уникальность их методологии заключается в ее простоте, которую отрасли могут легко адаптировать для создания прочных, бездефектных деталей из выбранного сплава. Они отметили, что их подход контрастирует с предыдущими попытками, которые в первую очередь полагались на дорогостоящие и трудоемкие эксперименты по оптимизации условий обработки.
Аррояв является профессором кафедры материаловедения и инженерии, а Элвани – доцентом кафедры промышленной и системной инженерии имени Майкла Барнса ’64. В число других участников этого исследования входят Остин Уитт и Уильям Трехерн из отдела материаловедения и инженерии и Цзяхуи Йе из отдела промышленного и системного проектирования.
Исследование поддерживается Исследовательским бюро армии США и Национальным научным фондом.