Roestvast staal van "mariene kwaliteit" wordt gewaardeerd om zijn prestaties onder corrosieve omgevingen en om zijn hoge ductiliteit - het vermogen om te buigen zonder te breken onder spanning - waardoor het een voorkeurskeuze is voor oliepijpleidingen, lassen, keukengerei, chemische apparatuur, medische implantaten, motoronderdelen en opslag van nucleair afval. Echter, conventionele technieken voor het versterken van deze klasse roestvast staal gaan doorgaans ten koste van de ductiliteit.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) onderzoekers, samen met medewerkers van Ames National Laboratory, Georgia Tech University en Oregon State University, hebben een doorbraak bereikt in 3D-printen, een van de meest voorkomende vormen van roestvrij staal van maritieme kwaliteit - een koolstofarm type genaamd 316L - dat een ongeëvenaarde combinatie van hoge sterkte en hoge ductiliteitseigenschappen belooft voor de alomtegenwoordige legering. Het onderzoek verschijnt op 30 oktober online in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Om alle componenten die u probeert te printen nuttig te maken, u moet deze materiaaleigenschap minstens dezelfde hebben als die gemaakt door de traditionele metallurgie, ", zegt materiaalwetenschapper en hoofdauteur Morris Wang van LLNL. "We waren in staat om echte componenten in het laboratorium in 3D te printen met 316L roestvrij staal, en de prestaties van het materiaal waren eigenlijk beter dan die gemaakt met de traditionele aanpak. Dat is echt een grote sprong. Het maakt additive manufacturing erg aantrekkelijk en vult een grote leemte op."

Wang zei dat de methodologie de sluizen zou kunnen openen voor wijdverbreid 3D-printen van dergelijke roestvrijstalen componenten, vooral in de ruimtevaart, auto- en olie- en gasindustrie, waar sterke en taaie materialen nodig zijn om extreme kracht in ruwe omgevingen te tolereren.

Om succesvol te ontmoeten, en overtreffen, de noodzakelijke prestatie-eisen voor 316L roestvast staal, onderzoekers moesten eerst een groot knelpunt overwinnen dat het potentieel voor het 3D-printen van hoogwaardige metalen beperkt, de porositeit die wordt veroorzaakt tijdens het lasersmelten (of smelten) van metaalpoeders waardoor onderdelen gemakkelijk kunnen degraderen en breken. Onderzoekers hebben dit aangepakt door middel van een dichtheidsoptimalisatieproces met experimenten en computermodellering, en door de onderliggende microstructuur van de materialen te manipuleren.

"Deze microstructuur die we hebben ontwikkeld doorbreekt de traditionele barrière tussen sterkte en ductiliteit, " zei Wang. "Voor staal, je wilt het sterker maken, maar je verliest in wezen ductiliteit; je kunt niet beide hebben. Maar met 3D-printen, we zijn in staat om deze grens voorbij de huidige afweging te verplaatsen."

Met behulp van twee verschillende laserpoederbedfusiemachines, onderzoekers drukten dunne platen van roestvrij staal 316L voor mechanische testen. De lasersmelttechniek resulteerde inherent in hiërarchische celachtige structuren die konden worden afgestemd om de mechanische eigenschappen te veranderen, aldus onderzoekers.

"De sleutel was om alle karakteriseringen te doen en te kijken naar de eigenschappen die we kregen, " zei LLNL-wetenschapper Alex Hamza, die toezicht hield op de productie van enkele additief vervaardigde componenten. "Als je 316L additief maakt, ontstaat er een interessante korrelstructuur, een soort glas-in-loodraam. De korrels zijn niet erg klein, maar de celstructuren en andere defecten in de korrels die vaak worden gezien bij lassen, lijken de eigenschappen te beheersen. Dit was de ontdekking. We wilden niet iets beters maken dan traditionele productie; het is gewoon zo gelopen."

LLNL postdoc-onderzoeker Thomas Voisin, een belangrijke bijdrage aan de krant, heeft uitgebreide karakteriseringen van 3D-geprinte metalen uitgevoerd sinds hij in 2016 bij het Lab kwam. Hij gelooft dat het onderzoek nieuwe inzichten kan opleveren over de structuur-eigenschapsrelatie van additief vervaardigde materialen.

"Vervorming van metalen wordt voornamelijk gecontroleerd door hoe nanoschaaldefecten bewegen en interageren in de microstructuur, ' zei Voisin. 'Interessant, we ontdekten dat deze cellulaire structuur werkt als een filter, waardoor sommige defecten vrij kunnen bewegen en zo de nodige ductiliteit bieden, terwijl andere worden geblokkeerd om de sterkte te bieden. Door deze mechanismen te observeren en hun complexiteit te begrijpen, kunnen we nu nieuwe manieren bedenken om de mechanische eigenschappen van deze 3D-geprinte materialen te beheersen."

Wang zei dat het project profiteerde van jarenlange simulatie, modellering en experimenten uitgevoerd in het Lab in 3D-printen van metalen om het verband tussen microstructuur en mechanische eigenschappen te begrijpen. Hij noemde roestvrij staal een "surrogaatmateriaal" -systeem dat voor andere soorten metalen zou kunnen worden gebruikt.

Het uiteindelijke doel, hij zei, is om high-performance computing te gebruiken om toekomstige prestaties van roestvrij staal te valideren en te voorspellen, modellen gebruiken om de onderliggende microstructuur te controleren en te ontdekken hoe je hoogwaardig staal kunt maken, inclusief de corrosiebestendigheid. Onderzoekers zullen dan kijken naar het gebruik van een vergelijkbare strategie met andere lichtere legeringen die brozer zijn en vatbaarder zijn voor scheuren.

Het werk nam meerdere jaren in beslag en vereiste de bijdragen van het Ames Lab, die röntgendiffractie deed om materiële prestaties te begrijpen; Georgië Tech, die modellering uitvoerde om te begrijpen hoe het materiaal een hoge sterkte en hoge ductiliteit zou kunnen hebben, en de staat Oregon, die karakterisering en samenstellingsanalyse uitvoerde.