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Defekte Superlegierung, die 3D-gedruckt werden kann, kommt heraus

In den letzten Jahren war es möglich, Laserstrahlen und Elektronenstrahlen zu verwenden, um technische Objekte mit komplexen Formen zu „drucken“, die durch konventionelle Fertigung nicht erreicht werden können. Beim additiven Fertigungsverfahren (AM) oder 3D-Druck von metallischen Materialien werden feine Pulverpartikel in einem Submillimeter-„Pool“ geschmolzen und verschmolzen, der unter den folgenden Bedingungen hergestellt wird (jedes Partikel ist etwa 10 Mal feiner als Strandsand) Fokussieren des Laserstrahls oder Elektronenstrahl auf das Material.

Tresa Pollock, Professorin für Materialwissenschaften und stellvertretende Dekanin der School of Engineering an der University of California, Santa Barbara, sagte: „Der hochfokussierte Strahl bietet eine präzise Steuerung und kann die Leistung an wichtigen Stellen des gedruckten Objekts „tunen“. , at Viele fortschrittliche Metalllegierungen, die in extrem hitzeintensiven und chemisch korrosiven Umgebungen in Energie-, Weltraum- und Nuklearanwendungen verwendet werden, sind mit additiven Fertigungsverfahren nicht kompatibel. “

Defekte Superlegierung, die 3D-gedruckt werden kann, kommt heraus

Für Pollock, einen weltbekannten Wissenschaftler, der sich mit fortschrittlicher Metallwerkstoff- und Beschichtungsforschung beschäftigt, ist die Herausforderung, neue AM-kompatible Materialien zu entdecken, unaufhaltsam. Sie sagte: „Das ist sehr interessant, weil ein Satz hochkompatibler Legierungen die Herstellung von Metallwerkstoffen mit hohem wirtschaftlichen Wert, dh teuren Materialien, verändern kann, weil ihre Bestandteile in der Erdkruste relativ selten sind. Designs mit komplexen geometrischen Formen können hergestellt werden, Materialverschwendung reduzieren.

„Die meisten ultrahochfesten Legierungen, die in extremen Umgebungen funktionieren, können nicht gedruckt werden, weil sie reißen“, fuhr Pollock, Professor für Distinguished Materials bei ALCOA, fort. „Wenn die Materialien herausgenommen und einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wenn sie sich noch im gedruckten Zustand befinden, können sie im flüssigen Zustand brechen oder im festen Zustand brechen Anwendungen wie die folgenden Der Motor wird mit neuen Designs bedruckt, die zum Beispiel die Leistung oder die Energieeffizienz erheblich verbessern können.“

In einem Artikel in Nature Communications arbeitet Pollock jetzt mit Carpenter Technologies, dem Oak Ridge National Laboratory, den UCSB-Wissenschaftlern Chris Torbet und Gareth Seward sowie der UCSB PhD zusammen. Die Studenten von Sean Murray, Kira Pusch und Andrew Polonsky beschrieben eine neuartige Superlegierung, die dieses Rissproblem überwindet. Daher ist es notwendig, den Einsatz von AM zu erhöhen, um komplexe Einwegkomponenten für hohe Beanspruchung und hohe Festigkeit herzustellen. Leistungsumgebung.

Diese Forschung wurde 3 durch Pollocks Vanneval Bush Faculty Fellowship (VBFF) des US-Verteidigungsministeriums in Höhe von 2017 Millionen US-Dollar unterstützt.

In diesem Artikel beschreibt der Autor eine neue Klasse hochfester, defektresistenter, 3D-druckbarer Superlegierungen, definiert als typische Nickelbasislegierungen, die ihre Materialintegrität bei Temperaturen bis zu 90 % ihres Schmelzpunktes beibehalten können. Die meisten Legierungen reißen bei 50 % ihrer Schmelztemperatur. Diese neuen Superlegierungen enthalten ungefähr gleiche Mengen an Kobalt (Co) und Nickel (Ni) sowie kleinere Mengen anderer Elemente. Diese Materialien eignen sich für den rissfreien 3D-Druck durch Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und das anspruchsvollere Laser-Pulverbett-Verfahren und machen sie für viele auf den Markt kommende Drucker vielseitig einsetzbar.

Da Superlegierungen auf Nickelbasis hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen aufweisen, sind sie das Material der Wahl für Strukturkomponenten wie Einkristall-(SX)-Turbinenschaufeln und Schaufeln, die in der heißen Zone von Flugzeugtriebwerken verwendet werden. Zu einer vom Team entwickelten Variante der Superlegierung sagt Pollock: „Der hohe Kobaltanteil ermöglicht es uns, die Eigenschaften des flüssigen und festen Zustands der Legierung so zu gestalten, dass sie mit verschiedenen Druckbedingungen kompatibel ist.“

Ein von der National Science Foundation (NSF) finanziertes Projekt im Einklang mit der National Genome Genome Initiative hat bisherige Arbeiten abgeschlossen und die Entwicklung neuer Legierungen gefördert. Das grundlegende Ziel des Projekts ist die Entwicklung fortschrittlicher Das Material „unterstützt die Forschung in doppelter Geschwindigkeit, um die großen Herausforderungen der Gesellschaft zu meistern.“

Pollocks NSF-Arbeit auf diesem Gebiet wurde in Zusammenarbeit mit Carlos G. Levi und Anton Van der Ven, Professoren für andere Materialien an der UCSB, durchgeführt. Ihre Arbeit umfasst die Entwicklung und Integration einer Reihe von Berechnungs- und Hochdurchsatz-Legierungsdesigntools, um den großen Mehrkomponenten-Zusammensetzungsraum zu erkunden, der für die Entdeckung neuer Legierungen erforderlich ist. Bei der Diskussion des neuen Papiers würdigte Pollock auch die wichtige Rolle der kollaborativen Forschungsumgebung der School of Engineering, um diese Arbeit zu ermöglichen.

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