3D kan de efficiënte productie van uitgebreide structuren mogelijk maken om conventioneel zonder afval te realiseren, zoals de holle geometrieën vannikkel-based superalloy luchtvaartcomponenten. Om deze methode volledig te benutten, moeten wenaarnieuwe legeringen en processen gaan.
conventionele superalloy productie
Superalloys, een familie van metalen mixen op basis vannikkel, kobalt of strijkijzer, zijn bestand tegen hoge temperatuurvervorming, corrosie en oxidatie, metname bij gebruik bij verhoogde temperatuur dicht bij hun smeltpunt. Ze werden voor het eerst ontwikkeld voor gasturbinecomponenten in turbojetmotoren en wordennu op grote schaal gebruikt voor toepassingen met hoge temperatuur in de lucht- en ruimtevaart- en energie-generatie-industrie. Om deze hoogtemperatuurseigenschappen (zowel mechanisch als chemisch) te bereiken, is microstructurele controle van cruciaal belang en wordt het ingeschakeld door een combinatie van specifieke legeringselement toevoegingen en zorgvuldige productieprocessen.
------
Nnickelbased Superalloys, de vroegste en de beste
developpelde superalloy-familie, vertrouwt op een twophase-microstructuur bestaande uit een versterkingsfaseA-dispersie van (NI, CO) 3 (al, TI, TA) precipiteert (van L12-kristallografie ) genaamd γ '--GROwn in een matrix van Crenriched Ni. Andere legeringselementen zoals refractories (RE, MO, W) of metalloïden (B, C) kunnen ook worden toegevoegd. Op basis van hun chemie zijn deze legeringen enkele van de meest complexe mensheid ontworpen. Tijdens conventionele verwerking, dit cruciale precipitatie plaatsvindt via een diffusie-controlled reactie tijdens afkoeling in het temperatuurgebied 1000-750 ° C1.-~----Manufacturing traditioneel het 'Achilles Heel 'van Superalloy-toepassingen/structureel Geluidse mechanische eigenschappen zijnniet bereikt zonder lange
winded en kostbaar subtractieve productie via het bewerken van gietstukken. Vandaag gebruiken wenog steeds precisie-investeringsgietprocessen die dateren aan de klassieke oudheid. Om bijvoorbeeld een straalmotor-turbineblad te produceren, zijn zowel een waxmodel als de silicabased replica van de koelkanalennodig om een keramische vorm te creëren voor elk geproduceerde component, in welke kilogram gesmolten metaal onder vacuüm wordt gegoten. Koeling tot omgevingsomstandigheden duurt enkele uren, en het is onmogelijk om de precipitatie van de γ 'precipitaten tijdens koeling te onderdrukken; Bovendien is zeer zorgvuldige daaropvolgende warmtebehandeling van enkele uren bij1300 ° C
just onder de smelttemperatuurto verkleinen van chemische dendritische segregatie uit de gietroute. Ten slotte is bewerking vereist om de uiteindelijke ingewikkelde turbineblad geometrie vorm te geven. Het investeringsgietproces omvat verschillende chemische en procescontroles met significante afval
scrappage die wordt gegenereerd tijdens het gieten en de daaropvolgende bewerking van de turbinedelen: slechts ongeveer 10% van de superalloy belandt als afgewerkte goederen2.--------3D afdrukken als eennieuwe verwerkingstraat voor superalloys-/-
using 3D-afdrukken, of additieve productie (AM), in plaats van investeringsgieten maakt het verwerken van radicaal verschillend, met verminderde productiestappen en minimale verwerkingsafval. De laserbased smelten en consolidatie van vast poeder van enkele tientallen micron in diameter, laagby-Layer, onder directe invoer van een computeraïde ontwerp (CAD) Systeem, verleent een as-of-yet onbenutte vrijheid van design : holle structuren, schuimlike of rooster-based architecturen, met een effectiever gebruik van materialen in een additief in tegenstelling tot subtractieve manier. Bovendien leidt het AM-proces, met zijn smeltende en re-meling van fijne poederformaat in micron lengte en tijdschaal, tot hoge koelsnelheden van 103-106 ° C-'s en een zeer verschillende metallurgische respons op verwerking3. Solidificatie geeft aanleiding tot een zeer fijne cellulaire in plaats van dendritische microstructuur4, die virtueel de dendritische segregatie elimineert die wordt aangetroffen in conventionele verwerking, het verwijderen van denoodzaak van een chemische homogenisatiestap. De precipitatie van γ 'wordt ook onderdrukt door de ernstige koelsnelheid, waardoornanoscale precipitatie kan worden afgestemd tijdens de daaropvolgende warmtebehandeling voor verbeterde eigenschappen5. Deneerslagfase kan worden geoptimaliseerd doornieuwe warmtebehandelingsprotocollen te ontwerpen om wenselijke microstructuren te verkrijgen die geassocieerd zijn met hoge sterkte in AM SUPERLOYS6.
HOWEVER, wijdverspreide toepassing van am in superalloys voor complexe holle structuren zoals Aerojet turbinebladen isnog steedsniet eenvoudig. Om het am technieken in superlalloys met succes te gebruiken, hebben we een verbeterd begrip van de wetenschap van het procesnodig; Veel aspecten ervan zijn obscuur omdat de fundamenten van am met meerdere fysische en chemische verschijnselen in de lengte en de tijdschalen (zie figuur 1). Wanneer de laser bijvoorbeeld in contact komt met het metalen poeder, alle mogelijke vier staten van materie-solid, vloeistof, gasdamp en plasm--interact7, en zeer weinig als er geen fysica-based modellen bestaan om deze complexiteit aan te pakken. Bovendien induceert de aard van de snelle en herhaalde thermische cycli intense thermische gradiënten en dus chemische, structurele en mechanische staten die metastabel zijn, metaal met metallurgische defecten8 die eigenschappen in gevaar brengen.finaal, kunnen de meeste conventionele superlegeringenniet gemakkelijk zijn Gemigreerd van investeringsgietennaar 3D-printen omdat ze zijn geoptimaliseerd voor specifieke verwerkingsroutes, bijv smeden
,