亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn)學(xué)院(DAP) 的研究人員已開始使用超高速激光材料沉積 (EHLA) 3D 打印技術(shù)開發(fā)用于激光粉末床融合 (PBF) 的新合金。
EHLA最初于2017年開發(fā),是弗勞恩霍夫ILT對大容量定向能量沉積(DED) 的嘗試。增材制造技術(shù)旨在作為金屬零件的涂層和修復(fù)方法,并有可能取代當前的腐蝕和磨損保護方法,如鍍硬鉻和熱噴涂。
RWTH調(diào)查涉及比較兩種印刷技術(shù)的工藝特性,在材料能力的可轉(zhuǎn)移性方面產(chǎn)生了可喜的結(jié)果。從本質(zhì)上講,DAP團隊認為它可以使EHLA成為PBF 3D打印的快速合金開發(fā)平臺。
EHLA 3D打印工藝由Fraunhofer ILT于2017年開發(fā),用于金屬涂層應(yīng)用。圖片來源:亞琛工業(yè)大學(xué)。
EHLA作為PBF的合金開發(fā)平臺
PBF是關(guān)鍵行業(yè)中使用更廣泛的增材制造技術(shù)之一,使用戶能夠3D打印具有優(yōu)化幾何形狀的高強度金屬零件。PBF的一個顯著優(yōu)勢是它能夠加工傳統(tǒng)制造技術(shù)難以解決的合金,但DAP團隊確認,由于合金開發(fā)過程的難度,這種潛力尚未得到充分利用。制造能夠充分利用LBF工藝特性(例如高冷卻速率)的合金既耗費時間又耗費資源。
EHLA具有原位單一粉末供應(yīng)和類似 PBF 的冷卻速率等工藝質(zhì)量,具有正確的先決條件,使其成為PBF的出色合金驗證平臺,所有這些都以快速和資源高效的方式進行。
光學(xué)顯微鏡顯微照片下的EHLA與PBF熔池。圖片來源:亞琛工業(yè)大學(xué)。
比較兩種3D打印工藝
首先,DAP研究人員首先確定了影響冷卻速度的相關(guān)EHLA和PBF工藝參數(shù),進而影響打印部件的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。這些發(fā)現(xiàn)被用于3D打印由高錳鋼 (X30Mn22) 制成的樣品部件。最后,比較了PBF和EHLA產(chǎn)生的樣品的微觀結(jié)構(gòu)特性,以確認團隊關(guān)于EHLA適用于合金開發(fā)的假設(shè)。
由于激光能量源的強度對冷卻速率有重大影響,因此計算并比較了兩種3D打印過程的此參數(shù)。研究小組發(fā)現(xiàn),PBF中的強度幾乎是EHLA中的14倍,但材料與激光束之間的相互作用時間在EHLA中大約高出10倍,因此這些效應(yīng)相互抵消并導(dǎo)致類似的能量輸入。
此外,該團隊通過測量和比較兩組打印樣品中的枝晶臂間距 (DAS) 來確定EHLA工藝速度對冷卻速率的影響。增加EHLA工藝速度會降低DAS,這表明工藝速度對冷卻速率也有顯著影響。
研究過程可轉(zhuǎn)移性的另一個指標是能量體積密度,這表明兩種3D打印技術(shù)具有相似的熱平衡。
總而言之,DAP研究人員發(fā)現(xiàn)兩組打印樣品中的微觀結(jié)構(gòu)相似,并且可以通過修改EHLA的工藝速度等工藝參數(shù)來進一步均勻化。因此,他們得出的結(jié)論是,所得的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能與EHLA和PBF相當,使前者成為后者的合適合金篩選和開發(fā)工具。
就未來的工作而言,該團隊旨在比較打印樣品組的化學(xué)成分,并檢查其他工藝參數(shù),例如粒子速度和粉末質(zhì)量流量。此外,由于技術(shù)之間能量輸入的差異,還將研究和比較各種合金的蒸發(fā)行為。
在3D打印樣品中獲得的樹枝狀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡 (SEM) 成像。圖片來源:亞琛工業(yè)大學(xué)。
合金開發(fā)是增材制造界正在進行的積極研究領(lǐng)域。就在最近,由香港城市大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員使用3D打印設(shè)計了一種“超強、高延展性和超輕”的新型鈦基合金??茖W(xué)家們相信他們的工作可以為新材料開發(fā)模式鋪平道路,利用3D打印技術(shù)來制造具有適合工業(yè)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和性能的合金。
澳大利亞國家科學(xué)機構(gòu)CSIRO還開發(fā)了一種新工藝,將廉價的合金廢料轉(zhuǎn)化為用于3D打印的高價值鈦絲。據(jù)報道,CSIRO團隊是澳大利亞第一個以這種方式生產(chǎn)鈦絲的團隊,其產(chǎn)品可用于制造航空航天部件等3D打印部件。
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