Neue Lasermischmethode ermöglicht robustere Metalllegierungen für 3D-Drucker

Warum Hochentropielegierungen schwer herzustellen sind: Viele moderne Industrien sind auf Metalllegierungen angewiesen, die einzigartige Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bieten. Die meisten traditionellen Legierungen bestehen aus einem Hauptmetall in Kombination mit kleinen Mengen weiterer Elemente.

Beispielsweise besteht Stahl hauptsächlich aus Eisen mit einem kleinen Anteil an Kohlenstoff und weiteren Legierungselementen. Hochentropielegierungen (HEAs) unterscheiden sich dadurch, dass sie mehrere Metalle in etwa gleichen Anteilen enthalten, anstatt eines einzigen Hauptmetalls.

Eine typische HEA kann fünf Metalle umfassen, wobei jedes etwa 20 % der Gesamtmasse ausmacht. Diese einzigartigen Mischungen können bei hohen Temperaturen sehr gut funktionieren und sind daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Energiesektor attraktiv.

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Die Herstellung ist jedoch nicht einfach. „HEAs müssen auf atomarer Ebene vermischt werden", sagte Fan Zhang, der Physiker vom NIST, der das Projekt gemeinsam leitete. „Es erfordert zusätzlichen Aufwand, Metalle in diesen Verhältnissen miteinander zu vermischen." Verschiedene Metalle schmelzen, fließen und erstarren unterschiedlich.

Wenn das geschmolzene Material erstarrt, trennen sich die Elemente häufig in verschiedene Bereiche, was die Qualität und Festigkeit der Legierung mindert. „Mit herkömmlichen Verfahren wie dem Gießen ist es schwierig, HEA-Teile herzustellen", sagte Zhang, „doch wir glauben, dass das Metall-3D-Drucken eine Lösung bieten könnte." Das Neuprogrammieren des Lasers zum Rühren des geschmolzenen Metalls Das Team arbeitete mit dem Laserschmelzverfahren für Pulverbetten, einer gängigen Form des Metall-3D-Drucks.

Bei diesem Verfahren schmilzt ein Laser feines Metallpulver Schicht für Schicht, um ein festes Bauteil aufzubauen. Normalerweise bewegt sich der Laser in geraden Linien über das Pulverbett. Der NIST-Forscher Ho Yeung und sein Team probierten etwas Neues aus.

Sie programmierten den Laser so,

Sie programmierten den Laser so, dass er in Schleifen bewegt wird, wodurch sich die kleine Schmelzpool aus geschmolzenem Metall während ihrer Bildung durchrührt. Diese Idee ähnelt dem Mischen üssel.

Durch die Bewegung der flüssigen Metallschmelze halfen die Forscher den Elementen, sich zu vermischen, statt sich zu trennen. „Kommerzielle 3D-Drucker-Software kann diese Muster nicht erzeugen", erklärte Yeung. „Die Möglichkeiten, den Weg des Lasers anzupassen, sind sehr begrenzt, sodass wir die Software mussten." Da diese Technik Software statt neuer Hardware nutzt, können aktuelle Metall-3D-Drucker sie durch ein Software-Update einsetzen.

Potente Röntgenstrahlen zeigen, was in Echtzeit passiertUm ihren Prozess zu testen, versuchte das Team, zwei Materialien zu mischen, die normalerweise sehr schwer zu kombinieren sind: eine dichte Hochentropilegierung namens RHEA-19 und eine leichte Titanlegierung.

Was die Studie zeigt

Die Forscher bewegten ihren schlaufenförmigen Laser an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien entlang und untersuchten daraufhin, was geschah.

Um die Veränderungen während der Erstarrung sichtbar zu machen, arbeiteten sie mit der Advanced Photon Source (APS) am Argonne National Laboratory in der Nähe Röntgenstrahlen, die etwa 500 Milliarden Mal heller sind als diejenigen in einem Zahnarztpraxis.

Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, Veränderungen im Inneren dichter Metalle innerhalb beobachten. „Das APS gehört zu den wenigen Strahlungsquellen weltweit, die leistungsstark genug sind, um Messungen dieser Art durchzuführen", sagte Zhang.

Was die Studie zeigt

Durch die Anwendung von Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie bestätigten die Forscher, dass das Rühren mit dem Laser das Mischen und die Legierungsbildung verbessert. Zur bedarfsgerechten Legierungsherstellung Die Vorteile beschränken sich nicht nur auf Hochentropielegierungen.

Die Forscher glauben, dass diese Technik Herstellern ermöglichen könnte, während des Druckprozesses maßgeschneiderte Legierungen herzustellen, anstatt ausschließlich auf vorfabrizierte Legierungspulver zurückzugreifen. Derzeit wird jedes Metallpulver für eine spezifische Legierung hergestellt.

In Zukunft könnten Drucker Grundmetallpulver innerhalb der Maschine mischen, ähnlich wie ein Farbdrucker Tinten mischt, um verschiedene Farben zu erzeugen. Dieser Ansatz könnte Kosten senken, mehr Gestaltungsmöglichkeiten bieten und Ingenieuren erlauben, Materialeigenschaften innerhalb eines einzelnen Bauteils anzupassen.

Beispielsweise können verschiedene Bereiche einer Turbinenschaufel eines Strahltriebwerks mit unterschiedlichen Legierungen gedruckt werden, ohne dass separate Teile geschweißt werden müssen. „Wir wollen die Legierungsherstellung beschleunigen", sagte Yeung. „Mit dem 3D-Druck möglich, Bauteile herzustellen, die früher unmöglich waren." Die Forschung wird in der Zeitschrift Additive Manufacturing beschrieben.