Il contesto della ricercaI grani colonnari grossolani e le fasi non distribuite in modo uniforme si verificano spesso durante la stampa 3D dei metalli, con conseguenti proprietà meccaniche non uniformi o addirittura scarse. La ricerca prevede una strategia di progettazione che consente un approccio diretto all'ottenimento di leghe di titanio ad alta resistenza e proprietà costanti mediante stampa 3D. è stato dimostrato che l'aggiunta di molibdeno (Mo) alla miscela di polveri metalliche ha aumentato la stabilità delle fasi e migliorato l'uniformità delle proprietà di resistenza, duttilità e trazione delle leghe stampate in 3D.Un articolo di revisione di Science nello stesso numero ha osservato che la metodologia è promettente per essere applicata ad altre miscele di polveri e per essere in grado di personalizzare diverse leghe con proprietà migliorate.

La ragione principale delle proprietà non uniformi delle leghe metalliche stampate in 3D sonoIn un processo di stampa 3D strato per strato, in genere con 10³-10⁸L'elevata velocità di raffreddamento di K/s crea un gradiente termico significativo in prossimità del bordo e del fondo del bagno di fusione, dove viene fusa la polvere metallica. Il gradiente termico induce la crescita di grani epitassiali lungo l'interfaccia tra il materiale appena fuso e il materiale solido sottostante, con una crescita dei grani verso il centro del bagno di fusione. I cicli di riscaldamento e di rifusione parziale durante la stampa multistrato portano alla formazione di grandi grani colonnari e di fasi non uniformemente distribuite, entrambi indesiderabili perché possono portare all'anisotropia e a un deterioramento delle proprietà meccaniche.

Forza-duttilità di vari materiali metallici

Le leghe di titanio sono uno dei materiali metallici più utilizzati per la stampa 3D. Nelle applicazioni ingegneristiche a temperatura ambiente, le leghe di titanio adatte presentano in genere un allungamento a trazione del 10-25%, che riflette una buona affidabilità del materiale. Sebbene un allungamento maggiore (duttilità) faciliti la formatura e sia preferibile in alcune applicazioni, una maggiore resistenza in questo intervallo di allungamento è spesso preferita per sopportare carichi meccanici. L'equilibrio tra resistenza e duttilità deve essere sempre tenuto in considerazione nelle tecniche di produzione convenzionali e additive per la lavorazione dei materiali metallici.

Strategie e limiti per migliorare la resistenza e la duttilità

Esistono diverse strategie per migliorare la resistenza e la duttilità delle leghe stampate in 3DQueste includono l'ottimizzazione della progettazione della lega, il controllo del processo, il rafforzamento dei confini dei grani fini e la modifica della microstruttura dei grani, ma anche la soppressione di fasi indesiderate (fragili), l'introduzione di seconde fasi e il post-trattamento. Attualmente, la ricerca per affrontare i problemi dei cristalli colonnari e delle fasi indesiderate si concentra sul drogaggio in situ di elementi per modificare la microstruttura e la composizione delle fasi. Questo approccio favorisce anche la formazione di cristalli isometrici, cioè di strutture con grani di dimensioni approssimativamente uguali lungo gli assi longitudinali e trasversali. L'alligazione in situ offre un modo promettente per superare l'equilibrio tra resistenza e duttilità.In particolare nelle tecnologie di stampa 3D come la fusione a letto di polvere e la deposizione a energia diretta..

I ricercatori hanno esplorato la morfologia dei grani e le proprietà meccaniche aggiungendo diversi elementi alle leghe stampate in 3D. Ad esempio, il drogaggio di particelle nanoceramiche di idruro di zirconio in leghe di alluminio non stampabili ha permesso di ottenere materiali stampabili e privi di cricche, con una microstruttura dei grani equiaxial raffinata e proprietà di trazione paragonabili a quelle dei materiali battuti. Per le leghe di titanio, invece, i raffinatori di grani disponibili in commercio hanno solitamente un effetto limitato sulla struttura dei grani. I meccanismi di raffinazione delle leghe di titanio, in particolare la transizione da colonnare a isometrica durante la solidificazione della stampa 3D, sono stati ampiamente studiati, ma permangono limiti di efficienza. I tentativi di superare questo ostacolo includono la variazione dei parametri di lavorazione, le applicazioni di ultrasuoni ad alta intensità, l'introduzione di strutture eterogenee desiderate attraverso la progettazione della lega, l'aggiunta di soluti come raffinatori di grani nei siti di nucleazione eterogenei e l'incorporazione di soluti con elevata capacità di superraffreddamento. Elementi come gli stabilizzatori β-eutettici Cu, Fe, Cr, Co e Ni, che limitano la solubilità nel titanio.

Una nuova ricerca porta a importanti scoperteInvece di utilizzare elementi stabilizzatori β-eutettici, che possono portare alla formazione di eutettici intermetallici fragili nelle leghe di titanio, i ricercatori hanno scelto Mo del gruppo β-omocristallino [tra cui niobio (Nb), tantalio (Ta) e vanadio (V)] per il Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr). Durante il processo di lega in situ, il molibdeno viene trasportato con precisione nel bagno fuso e funge da nucleo seme per la formazione e l'affinamento dei cristalli durante ogni strato di scansione. l'additivo Mo promuove la transizione da grandi cristalli colonnari a fini strutture colonnari equiaxate e strette. mo stabilizza anche la fase β desiderata e inibisce la formazione di eterogeneità di fase durante i cicli termici.

Caratterizzazione della lega di titanio Ti-5553 drogata con Mo

I ricercatori hanno confrontato la resistenza allo snervamento e l'allungamento a rottura di Ti-5553+5Mo con Ti-5553 (oltre a Ti-55531 e Ti-55511) prodotto allo stato L-PBF e sottoposto a trattamento termico post-stampa. Rispetto al Ti-5553 e alle leghe simili allo stato fabbricato, il Ti-5553+5Mo mostra una resistenza allo snervamento comparabile ma una duttilità significativamente migliore. Il trattamento termico post-stampa è comunemente utilizzato per bilanciare le proprietà meccaniche del Ti-5553 prodotto con L-PBF. Sebbene sia possibile ottenere elevati carichi di snervamento (>1100 MPa) in determinate condizioni di trattamento termico, la duttilità di solito si deteriora significativamente con un allungamento a rottura <10%, che ne limita l'uso in applicazioni critiche per la sicurezza. Ad esempio, il Ti6Al4V, il cosiddetto cavallo di battaglia dell'industria del titanio, ha un allungamento a rottura minimo raccomandato di 101 TP3 T. Al contrario, senza la necessità di un trattamento termico a valle, le parti stampate direttamente del materiale Ti-5553+5Mo, L-PBF, presentano un eccellente equilibrio tra resistenza e duttilità, che le fa risaltare tra leghe simili. In definitiva, i ricercatori hanno usato questa strategia per fabbricareMateriale con eccellente uniformità di proprietà, resistenza allo snervamento 926MPa, allungamento a rottura 26%.

Microstruttura e proprietà meccaniche di Ti-5553 prodotto da L-PBF

Proprietà meccaniche di Ti-5553 e Ti-5553+5Mo prodotti da L-PBF

Le proprietà meccaniche del Ti-5553+5Mo sono risultate eccezionalmente omogenee e migliorate rispetto al Ti-5553. La tomografia computerizzata microfocalizzata (micro-CT) per valutare la qualità del pezzo rivela che entrambi i materiali presentano densità molto elevate, con frazioni di volume totale dei pori rispettivamente di 0,004024% e 0,001589%. tali densità elevate suggeriscono che è improbabile che la porosità determini le proprietà di trazione altamente disperse del Ti-5553 e sono anche coerenti con l'elevato grado di uniformità delle proprietà meccaniche del Ti-5553+5Mo. +5Mo elevata uniformità delle proprietà meccaniche. Per rivelare l'effetto dell'aggiunta di Mo sulla struttura dei grani, i ricercatori hanno eseguito una caratterizzazione EBSD (electron backscattering diffraction) del Ti-5553 e del Ti-5553 drogato con Mo. La microstruttura del Ti-5553 consiste in grani relativamente grandi lungo la direzione di scansione, che mostrano una forte trama cristallina. L'aggiunta di 5,0 wt% Mo al Ti-5553 porta a cambiamenti significativi nella struttura dei grani e nella struttura cristallina associata. Sono ben visibili molti fini grani equiax (~20 μm di diametro) che si formano lungo i bordi delle tracce di scansione di Ti-5553+5Mo. Al contrario, la microstruttura di Ti-5553+5Mo è caratterizzata da fini grani equiax e stretti cristalli colonnari lungo la direzione tettonica. Un esame più attento della microstruttura rivela una distribuzione periodica di fini grani colonnari. A differenza dei cristalli colonnari altamente intrecciati che coprono più strati nel Ti-5553, la scala di lunghezza dei cristalli colonnari nel Ti-5553+5Mo è determinata dalle dimensioni del bagno di fusione e l'intreccio dei cristalli diventa casuale e debole.

Caratterizzazione microstrutturale di Ti-5553 e Ti-5553+5Mo

Analisi di fase di Ti-5553 e Ti-5553 drogato con molibdeno

Caratterizzazione EBSD di campioni di frattura realizzati con Ti-55535FINE

Tuttavia, i ricercatori hanno identificato particelle di molibdeno non disciolte nella microstruttura e il loro potenziale impatto è sconosciuto. In effetti, la presenza casuale di particelle non disciolte nelle strategie di lega in situ solleva preoccupazioni relative alle proprietà meccaniche e di corrosione. Ad esempio, la fusione completa delle particelle aggiunte alla lega in situ può richiedere un'energia maggiore e il surriscaldamento può portare a cambiamenti microstrutturali e al deterioramento delle proprietà meccaniche. Inoltre, non sono note le proprietà dinamiche di fatica e corrosione causate dalle particelle di Mo non disciolte. Sebbene il trattamento termico post-stampa possa eliminare le particelle non disciolte, può alterare la microstruttura, con conseguenti effetti sulle proprietà meccaniche.

Nel complesso, la strategia di progettazione proposta in questo studio scientifico apre la strada all'esplorazione di diverse materie prime in polvere metallica, di diversi sistemi di leghe stampabili, di diverse tecniche di stampa 3D e di stampa multimateriale avanzata. Inoltre, inibisce la formazione di grani colonnari e previene disomogeneità di fase indesiderate. Questi problemi sorgono a causa delle diverse distribuzioni termiche, che sono influenzate dai parametri di stampa di ciascuna polvere. La strategia supera anche l'equilibrio tra resistenza e duttilità allo stato stampato, riducendo al minimo la necessità di trattamenti post-stampa, vantaggi che porteranno senza dubbio a un boom della ricerca nel campo della stampa 3D.

3D打印新突破！2024年第二篇Science研究！最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

　　Pechino Longyuan Automatic Forming System Co.CTO, membro del comitato professionale per la stampa 3D dell'Alleanza per la strategia di innovazione tecnologica dell'industria cinese della metallurgia delle polveri.Dott. T.F. LeeIn occasione dell'incontro è stato invitato a tenere una relazione dal titolo "3D Printing Additive Digital Manufacturing Technology Development Status and Trends". Nella relazione Li ha sottolineato che la tecnologia di fabbricazione additiva (stampa 3D) presenta caratteristiche vantaggiose come l'assenza di stampaggio, lo stampaggio tridimensionale di strutture molto complesse, il miglioramento dell'ottimizzazione della struttura e del valore aggiunto dei prodotti, l'aumento sostanziale del tasso di utilizzo del materiale, la riduzione dei costi di ricerca e sviluppo, l'accelerazione dell'introduzione dei prodotti sul mercato, la progettazione e la produzione personalizzate e su misura, la flessibilità e la produzione "decentralizzata". La produzione additiva e altre caratteristiche vantaggiose sono diventate un'esigenza strategica per aiutare la trasformazione e lo sviluppo della produzione nazionale. Alcuni dati mostrano che la dimensione del mercato globale della produzione additiva è stata di circa 4,1 miliardi di dollari nel 2014, con un aumento anno su anno del 35,2% rispetto al 2013; il futuro di questo settore continuerà a mantenere un alto tasso di crescita, e si prevede che raggiungerà più di 20 miliardi di dollari entro il 2020. Attualmente, il mercato cinese della produzione additiva rappresenta circa 8-10% del mondo e manterrà un alto tasso di sviluppo, diventando una delle regioni in più rapida crescita dell'industria manifatturiera additiva globale.

Il dottor Zifu Li ha tenuto una presentazione da esperto alla conferenza

 　　La stampa 3D in metallo è una tecnologia di produzione additiva di alto livello in grado di produrre direttamente parti funzionali in metallo ad alte prestazioni in tre dimensioni, considerata una tecnologia chiave per consolidare e migliorare il dominio dell'industria manifatturiera di alto livello nei paesi sviluppati del mondo, come gli Stati Uniti, il Regno Unito e la Germania, ed è stata pianificata e definita a livello di strategia nazionale di sviluppo scientifico e tecnologico. Il materiale in polvere metallica di alta qualità è il presupposto per la realizzazione di prodotti di stampa ad alte prestazioni e lo sviluppo ad alta velocità della tecnologia di fabbricazione additiva dei metalli non solo ha posto nuovi problemi all'industria della metallurgia delle polveri metalliche, ma ha anche portato nuove opportunità. Il dottor Li ha affermato che attualmente le attrezzature per la produzione additiva di metalli sono monopolizzate da prodotti stranieri di fascia alta, a causa dell'esistenza di attrezzature e materiali adatti, formando così un monopolio sulla fornitura di materiali in polvere metallica stranieri. La polvere metallica di marca straniera è costosa, ha un lungo ciclo di fornitura e, se si tratta di materiali sensibili, è soggetta a restrizioni all'esportazione. Pertanto, per realizzare la manifattura additiva è imperativo localizzare la polvere metallica.

　　Guardando al futuro sviluppo della produzione additiva in metallo, il dottor Li ha affermato che in termini di materiali e processi, è necessario migliorare la diversità dei materiali, sviluppare materiali in polvere metallica di produzione nazionale con vantaggi in termini di costi, rafforzare la fusione approfondita della tecnologia di produzione additiva e della tecnologia tradizionale di formatura dei materiali e creare un grande database che integri la progettazione e la preparazione dei materiali in polvere, l'ottimizzazione del processo di produzione additiva e l'ottimizzazione del processo di lavorazione successivo, ecc. tenderà a formare uno spazio più ampio, il sistema di monitoraggio del processo di produzione additiva è più intelligente, la specializzazione delle attrezzature, la modalità di produzione intelligente "metal additive manufacturing +", ecc; l'applicazione, tenderà alla produzione diretta di parti funzionali, ai settori medico e sanitario, automobilistico e aerospaziale.

　　Beijing Longyuan Automatic Forming System Co., Ltd. è una holding controllata da SANDY Printing Technology Co. Fondata nel 1994, è un'impresa high-tech riconosciuta dalla Commissione per la Scienza e la Tecnologia di Pechino, un'impresa high-tech di Zhongguancun e un'impresa innovativa del distretto di Haidian, e ha superato la certificazione del sistema di qualità internazionale ISO9001 nel 2002. Dal successo dello sviluppo della prima macchina di prototipazione rapida laser nel 1994, l'azienda si è dedicata allo sviluppo della macchina di prototipazione rapida SLS (Selective Laser Powder Sintering), impegnandosi al contempo nell'applicazione dei servizi di elaborazione della prototipazione rapida. Prima impresa in Cina a sviluppare, produrre e vendere apparecchiature per la fabbricazione digitale additiva di livello industriale, Longyuan Forming ha fornito servizi di alta qualità a più di 400 clienti nei settori dell'aerospazio, della difesa nazionale, dell'automobile e della motocicletta e del trattamento medico. (Testo/Jiayu)

2015年金屬粉末制備工藝技術(shù)專題研討會在京舉行最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。