Der zweite Science-Artikel im Bereich der 3D-Drucktechnologie im Jahr 2024 wurde am 8. Februar veröffentlicht.

von (einem Ort) kommenUniversität von Queensland, Australien(Jingqi Zhang et al,)Universität Chongqing(Ziyong Hou, Xiaoxu Huang),Technische Universität von DänemarkDas gemeinsame Team veröffentlichte einen Artikel mit dem Titel "Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design". Ultrauniforme, starke und duktile 3D-gedruckte Titanlegierung durch bifunktionales Legierungsdesign".Titanlegierung durch 3D-Druck hergestellt erreichtMit einer Streckgrenze von 926 MPa und einer Duktilität von 261 TP3T wird ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Duktilität erreicht.

Hintergrund der ForschungGrobe säulenförmige Körner und ungleichmäßig verteilte Phasen treten häufig beim 3D-Druck von Metallen auf, was zu ungleichmäßigen oder sogar schlechten mechanischen Eigenschaften führt. Die Forschung umfasst eine Designstrategie, die einen direkten Ansatz zur Erzielung hoher Festigkeit und gleichmäßiger Eigenschaften von Titanlegierungen durch 3D-Druck ermöglicht. Es wurde gezeigt, dass die Zugabe von Molybdän (Mo) zu der Pulvermetallmischung die Phasenstabilität erhöht und die Gleichmäßigkeit der Festigkeit, Duktilität und Zugeigenschaften der 3D-gedruckten Legierungen verbessert.

Der Hauptgrund für die ungleichmäßigen Eigenschaften von 3D-gedruckten Metalllegierungen sindIn einem Schicht-für-Schicht-3D-Druckverfahren, typischerweise mit 10³-10⁸Die hohe Abkühlungsrate von K/s erzeugt einen erheblichen Wärmegradienten in der Nähe des Randes und des Bodens des Schmelzbades, wo das Metallpulver geschmolzen wird. Der thermische Gradient induziert epitaktisches Kornwachstum entlang der Grenzfläche zwischen dem frisch geschmolzenen Material und dem darunter liegenden festen Material, wobei die Körner zur Mitte des Schmelzbads hin wachsen. Die Erhitzungs- und partiellen Umschmelzzyklen beim Mehrschichtdruck führen letztendlich zur Bildung großer säulenförmiger Körner und ungleichmäßig verteilter Phasen, die beide unerwünscht sind, da sie zu Anisotropie und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen können.

Festigkeit-Duktilität verschiedener metallischer Materialien

Titanlegierungen sind eines der am häufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Druck. Bei technischen Anwendungen bei Umgebungstemperaturen weisen geeignete Titanlegierungen in der Regel eine Zugdehnung von 10-25 Prozent auf, was für eine gute Materialzuverlässigkeit spricht. Während eine höhere Dehnung (Duktilität) eine leichtere Verformung ermöglicht und in einigen Anwendungen bevorzugt wird, wird eine höhere Festigkeit in diesem Dehnungsbereich oft bevorzugt, um mechanischen Belastungen standzuhalten. Das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität musste schon immer sowohl bei konventionellen als auch bei additiven Fertigungsverfahren zur Verarbeitung metallischer Werkstoffe berücksichtigt werden.

Strategien und Grenzen zur Verbesserung von Festigkeit und Duktilität

Es gibt verschiedene Strategien zur Verbesserung der Festigkeit und Duktilität von 3D-gedruckten Legierungen. Dazu gehören die Optimierung des Legierungsdesigns, die Prozesssteuerung, die Verstärkung der feinen Korngrenzen und die Modifizierung des Korngefüges, aber auch die Unterdrückung unerwünschter (spröder) Phasen, die Einführung zweiter Phasen und die Nachbehandlung. Derzeit konzentriert sich die Forschung zur Lösung der Probleme mit säulenförmigen Kristallen und unerwünschten Phasen auf die In-situ-Dotierung von Elementen, um die Mikrostruktur und Phasenzusammensetzung zu verändern. Dieser Ansatz fördert auch die Bildung isometrischer Kristalle, d.h. von Strukturen mit annähernd gleichen Korngrößen entlang der Längs- und Querachsen. Die In-situ-Legierung bietet eine vielversprechende Möglichkeit, das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität zu überwinden.Vor allem bei 3D-Drucktechnologien wie der Pulverbettfusion und der gerichteten Energieabscheidung.

Forscher haben die Kornmorphologie und die mechanischen Eigenschaften untersucht, wenn sie verschiedene Elemente zu 3D-gedruckten Legierungen hinzufügen. So führte beispielsweise die Dotierung von nanokeramischen Zirkoniumhydridpartikeln in nicht druckbare Aluminiumlegierungen zu druckbaren und rissfreien Materialien mit einem verfeinerten gleichachsigen Korngefüge und Zugeigenschaften, die mit denen von Knetwerkstoffen vergleichbar sind. Bei Titanlegierungen hingegen haben handelsübliche Kornfeinungsmittel in der Regel nur begrenzte Auswirkungen auf das Korngefüge. Die Verfeinerungsmechanismen von Titanlegierungen, insbesondere der Übergang von säulenförmigem zu isometrischem Gefüge während der Erstarrung im 3D-Druck, wurden eingehend untersucht, aber die Effizienz bleibt begrenzt. Zu den Versuchen, dieses Hindernis zu überwinden, gehören die Variation von Verarbeitungsparametern, hochintensive Ultraschallanwendungen, die Einführung gewünschter heterogener Strukturen durch das Legierungsdesign, die Zugabe von gelösten Stoffen als Kornverfeinerer an heterogenen Keimbildungsstellen und die Einarbeitung von gelösten Stoffen mit hoher Unterkühlungskapazität. Elemente wie die β-eutektischen Stabilisatorelemente Cu, Fe, Cr, Co und Ni, die die Löslichkeit in Titan begrenzen.

Neue Forschung führt zu wichtigen DurchbrüchenAnstatt β-eutektische Stabilisatorelemente zu verwenden, die zur Bildung spröder intermetallischer Eutektika in Titanlegierungen führen können, wählten die Forscher für Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr) Mo aus der β-homokristallinen Gruppe [einschließlich Niob (Nb), Tantal (Ta) und Vanadium (V)]. Während des In-situ-Legierungsprozesses wird Molybdän präzise in das Schmelzbad transportiert und wirkt als Keimzelle für die Kristallbildung und -verfeinerung während jeder Abtastschicht. Der Mo-Zusatz fördert den Übergang von großen säulenförmigen Kristallen zu feinen gleichachsigen und schmalen säulenförmigen Strukturen. Mo stabilisiert auch die gewünschte β-Phase und hemmt die Bildung von Phasenheterogenität während der thermischen Zyklen.

Charakterisierung der Mo-dotierten Titanlegierung Ti-5553

Die Forscher verglichen die Streckgrenze und Bruchdehnung von Ti-5553+5Mo mit Ti-5553 (sowie Ti-55531 und Ti-55511), das im L-PBF-Zustand und unter Wärmebehandlung nach dem Druck hergestellt wurde. Im Vergleich zu Ti-5553 und ähnlichen Legierungen im Herstellungszustand zeigt Ti-5553+5Mo eine vergleichbare Streckgrenze, aber eine deutlich verbesserte Duktilität. Die Wärmebehandlung nach dem Druck wird üblicherweise eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften des in L-PBF hergestellten Ti-5553 auszugleichen. Obwohl unter bestimmten Wärmebehandlungsbedingungen hohe Streckgrenzen (>1100 MPa) erreicht werden können, verschlechtert sich die Duktilität in der Regel erheblich mit einer Bruchdehnung <10%, was den Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen einschränkt. Ti6Al4V, das so genannte Arbeitspferd der Titanindustrie, hat beispielsweise eine empfohlene Mindestbruchdehnung von 101 TP3 T. Im Gegensatz dazu weisen direkt gedruckte Teile aus dem Ti-5553+5Mo-Material, L-PBF, ohne nachgeschaltete Wärmebehandlung ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität auf, wodurch sie sich von ähnlichen Legierungen abheben. Letztendlich nutzten die Forscher diese Strategie zur Herstellung vonMaterial mit ausgezeichneter Eigenschaftsgleichmäßigkeit, Streckgrenze 926MPa, Bruchdehnung 26%.

Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften von Ti-5553 hergestellt durch L-PBF

Mechanische Eigenschaften von Ti-5553 und Ti-5553+5Mo hergestellt durch L-PBF

Die mechanischen Eigenschaften von Ti-5553+5Mo waren außergewöhnlich homogen und im Vergleich zu Ti-5553 verbessert. Die mikrofokussierte Computertomographie (micro-CT) zur Beurteilung der Teilequalität zeigt, dass beide Materialien eine sehr hohe Dichte aufweisen, mit Gesamtporenvolumenanteilen von 0,004024% bzw. 0,001589%. Solch hohe Dichten deuten darauf hin, dass Porosität wahrscheinlich nicht zu den stark dispergierten Zugeigenschaften von Ti-5553 führt, und stehen auch im Einklang mit einem hohen Grad an Einheitlichkeit der mechanischen Eigenschaften von Ti-5553+5Mo. +5Mo hohe Konsistenz der mechanischen Eigenschaften. Um die Auswirkung des Mo-Zusatzes auf die Kornstruktur aufzudecken, führten die Forscher eine Elektronenrückstreuungsbeugung (EBSD) zur Charakterisierung von Ti-5553 und Mo-dotiertem Ti-5553 durch. Die Mikrostruktur von Ti-5553 besteht aus relativ großen Körnern entlang der Abtastrichtung, die ein starkes Kristallgewebe aufweisen. Die Zugabe von 5,0 wt% Mo zu Ti-5553 führt zu signifikanten Veränderungen in der Kornstruktur und der damit verbundenen Kristallstruktur. Viele feine gleichachsige Körner (~20 μm im Durchmesser) sind gut sichtbar und bilden sich entlang der Kanten der Abtastspuren von Ti-5553+5Mo. Im Gegensatz dazu ist die Mikrostruktur von Ti-5553+5Mo durch feine gleichachsige Körner und schmale säulenförmige Kristalle entlang der tektonischen Richtung gekennzeichnet. Eine genauere Betrachtung der Mikrostruktur zeigt eine periodische Verteilung feiner säulenförmiger Körner. Im Gegensatz zu den stark verwobenen säulenförmigen Kristallen, die sich über mehrere Schichten in Ti-5553 erstrecken, wird die Längenskala der säulenförmigen Kristalle in Ti-5553+5Mo durch die Größe des Schmelzbades bestimmt, und das Kristallgeflecht wird zufällig und schwach.

Mikrostrukturelle Charakterisierung von Ti-5553 und Ti-5553+5Mo

Phasenanalyse von Ti-5553 und molybdändotiertem Ti-5553

EBSD-Charakterisierung von Proben aus Ti-55535, die gebrochen sindENDE

Die Forscher identifizierten jedoch ungelöste Molybdänpartikel in der Mikrostruktur, deren mögliche Auswirkungen unbekannt sind. Das zufällige Vorhandensein von ungelösten Partikeln bei In-situ-Legierungsstrategien wirft in der Tat Bedenken hinsichtlich der mechanischen und korrosiven Eigenschaften auf. Zum Beispiel kann das vollständige Schmelzen der in situ zulegierten Partikel einen höheren Energieaufwand erfordern, und eine Überhitzung kann zu mikrostrukturellen Veränderungen und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen. Darüber hinaus sind dynamische Ermüdungs- und Korrosionseigenschaften, die durch ungelöste Mo-Partikel verursacht werden, unbekannt. Obwohl eine Wärmebehandlung nach dem Druck ungelöste Partikel entfernen kann, kann sie die Mikrostruktur verändern, was die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen kann.

Insgesamt eröffnet die in dieser Science-Studie vorgeschlagene Designstrategie Möglichkeiten für die Erforschung verschiedener Metallpulver-Rohstoffe, verschiedener druckbarer Legierungssysteme, verschiedener 3D-Drucktechniken und des fortgeschrittenen Multimaterialdrucks. Sie verhindert auch die Bildung säulenförmiger Körner und beugt unerwünschten Phaseninhomogenitäten vor. Diese Probleme entstehen durch unterschiedliche thermische Verteilungen, die durch die Druckparameter der einzelnen Pulver beeinflusst werden. Die Strategie überwindet auch das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität im gedruckten Zustand und minimiert die Notwendigkeit von Behandlungen nach dem Druck, Vorteile, die zweifellos zu einem Forschungsboom auf dem Gebiet des 3D-Drucks führen werden.