Additieve productie, ook wel 3D-printen genoemd, wordt vaak gebruikt om complexe driedimensionale objecten te bouwen, laag voor laag. A*STAR-onderzoekers hebben aangetoond dat het proces ook kan helpen om een ​​hoogwaardige legering nog sterker te maken.

Kobalt-chroom-ijzer-nikkel-mangaan (CoCrFeNiMn) staat bekend als een legering met een hoge entropie. Ontdekt in 2004, het is bijzonder goed bestand tegen breuken onder zware omgevingsomstandigheden, zoals lage temperaturen. Om van de legering een voorwerp te maken, onderzoekers gieten het gesmolten metaal meestal in een gietvorm, laat het afkoelen, en vervolgens machinaal in de gewenste vorm. Echter, dit kan een tijdrovende en kostbare manier zijn om complexe componenten te maken. In principe, Additive Manufacturing zou de bewerkingsstap kunnen overslaan om complexe componenten direct te fabriceren.

Nai Mui Ling Sharon van het A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), haar collega's, en internationale medewerkers hebben aangetoond dat een additieve fabricagemethode, genaamd selectief lasersmelten, is zeer geschikt voor het bouwen van componenten van CoCrFeNiMn. Het proces maakt gebruik van een krachtige laserstraal om kleine poederdeeltjes van de legering te smelten, die vervolgens samensmelten tot een vast object. Opmerkelijk, de onderzoekers ontdekten dat het proces in feite een sterker materiaal oplevert dan conventionele gietmethoden. "Het vertoont een verbeterde sterkte met een relatief goede ductiliteit, " zegt Zhu Zhiguang, een research fellow in het SIMTech-team dat de studie leidde.

De onderzoekers creëerden eerst een voorgelegeerd poeder van CoCrFeNiMn, met deeltjes die gemiddeld 36 micrometer groot waren. Daarna gebruikten ze lasersmelten om de deeltjes in 10 millimeter brede kubussen te maken. of platte staven van 90 millimeter. Ze varieerden ook het vermogen van de laser, en de snelheid waarmee het over de legeringsdeeltjes scande, om te begrijpen hoe verschillende afdrukomstandigheden de prestaties van de legering beïnvloedden.

Analyse van de monsters bracht een aantal kenmerken aan het licht die de eigenschappen van het materiaal bepaalden. Bijvoorbeeld, het bevatte microscopisch kleine smeltbaden, eerder als miniatuurlassen die het materiaal bij elkaar hielden. Het bevatte ook langwerpige kristallijne korrels die ongeveer 13 micrometer breed waren; deze korrels waren onderverdeeld in kleinere 'cellen' van minder dan een micrometer breed. De onderzoekers ontdekten dat deze cellen een cruciale rol speelden bij het versterken van de legering.

Kristallen bevatten een regelmatige reeks atomen gerangschikt in herhalende patronen. Grote kristallen splijten vaak vrij gemakkelijk - als de atomen in een deel van het kristal op hun plaats glippen, ze dwingen naburige atomen op dezelfde manier te slippen, een breuk door het hele kristal sturen.

Maar materialen gevormd uit veel kleinere korrels kunnen dit probleem voorkomen. Dat komt omdat de kristalstructuur van elke korrel misschien niet overeenkomt met zijn buren, dus alle atomaire dislocaties stoppen zodra ze een korrelgrens bereiken.

De minuscule cellen in de legering van de onderzoeker lijken dit versterkende effect te versterken, het vangen van dislocaties en het bieden van een belangrijke verbetering van de sterkte van het materiaal. Een van de gedrukte legeringen, voorbereid met behulp van geoptimaliseerde afdrukomstandigheden, kon 510 megapascal stress weerstaan ​​voordat het permanent begon te vervormen. Dit is bijna twee keer de spanning die een conventioneel bereide CoCrFeNiMn-legering aankan.

Vervolgens verhitten de onderzoekers hun 3D-geprinte objecten een uur lang op 900 graden Celsius onder een inerte atmosfeer. Dit verwijderde gedeeltelijk de celstructuur en verminderde de sterkte van het materiaal, maar het maakte het materiaal ook taaier, waardoor het verder kan vervormen.

De onderzoekers hopen dat het aanpassen van de 3D-printprocessen de mechanische eigenschappen van de materialen verder kan verbeteren. Ze zijn ook van plan om selectief lasersmelten te gebruiken om andere hoogwaardige legeringen te fabriceren, zodat ze kunnen bestuderen hoe de microscopische structuur van de materialen hun eigenschappen beïnvloedt. "Met dit inzicht we zullen beter toegerust zijn om hun eigenschappen af ​​te stemmen op industriële toepassingen, en helpen de invoering van additieve fabricage te versnellen, " zegt Nai.