ブログ

Aug 02, 2023

ステンレス鋼の特性を維持したまま3Dプリントが初めて可能に

RodrigoEM/iStock Iscrivendoti accetti i nostri termini e politiche

ロドリゴEM/iStock

購読すると、当社の利用規約とポリシーに同意したものとみなされます。いつでも購読を解除できます。

米国立標準技術研究所 (NIST)、ウィスコンシン大学マディソン校、アルゴンヌ国立研究所の研究者は、特定の 17-4 鋼組成を大量に製造しました。 印刷すると、従来の方法で製造されたバージョンの特性と一致します。

研究結果は、Additive Manufacturing 誌の 11 月号に掲載されました。 彼らはデータを取得するために粒子加速器からの高エネルギー X 線を使用しました。

NISTによると、強度と耐久性は、原子力発電所、貨物船、飛行機、その他の主要技術にとって極めて重要です。 このため、多くは非常に耐久性のある合金 17-4 析出硬化 (PH) ステンレス鋼で作られています。 17-4 PH 鋼を初めて、その有益な特性を維持しながら確実に 3D プリントできるようになりました。

最新の研究により、17-4 PH アイテムのメーカーにとって 3D プリンティングのコスト効率と柔軟性が向上する可能性があります。 この研究で物質を調査するために利用された方法は、さまざまな物質を印刷し、その品質と性能を予測する方法をよりよく理解するための基礎を築く可能性もあります。

「金属の積層造形について考えると、私たちは本質的に、何百万もの小さな粉末粒子をレーザーなどの高出力源を使って溶接し、液体に溶かし、冷却して固体にしているのです」とNISTの物理学者は述べた。研究共著者のFan Zhang氏は次のように述べています。

「しかし、冷却速度は速く、時には毎秒100万℃を超えることもあり、この極端な非平衡状態は一連の異常な測定課題を引き起こします。」

研究者は、急速な温度変化中に何が起こるかを理解し、内部構造をマルテンサイトに向けて方向付けるために何ができるかを調査し始めました。

ミリ秒単位で起こる急速な構造変化を調べるには、研究者らは特殊なツールを必要としました。 彼らは、シンクロトロン X 線回折 (XRD) がその理想的な技術であることを発見しました。

「XRDでは、X線が物質と相互作用し、物質の特定の結晶構造に対応する指紋のような信号を形成します」と、ウィスコンシン大学マディソン校の機械工学教授で研究共著者のLianyi Chen氏は述べた。

Fan Zhangら。

著者らは、参考として印刷中の構造力学を十分に理解したため、鉄、ニッケル、銅、ニオブ、クロムのみからなる一連の有効な組成を見つけるために鋼の組成を微調整することができました。 。

「組成制御は、3D プリント合金の真の鍵です。組成を制御することで、合金がどのように凝固するかを制御することができます。また、幅広い冷却速度、たとえば毎秒 1,000 から 1,000 万度の間での冷却速度が変化することも示しました。私たちの組成は一貫して完全にマルテンサイト系の 17-4 PH 鋼をもたらします」と Zhang 氏は言いました。

最近の研究は、17-4 PH 鋼以外にも影響を与える可能性があります。 XRD ベースの方法から得られた情報は、3D プリンティング用に他の合金を最適化するだけでなく、印刷物の品質を予測することを目的としたコンピューター モデルの開発とテストに使用される可能性があります。

「当社の 17-4 は信頼性と再現性が高く、商業利用の障壁が低くなります。メーカーがこの構成に従えば、従来の方法で製造された部品と同等の 17-4 構造を印刷できるはずです」と Chen 氏は述べています。

抽象的な：

フュージョンベースの積層造形技術により、従来の製造方法では不可能な幾何学的および組成的に複雑な部品の製造が可能になります。 しかし、不均一で平衡から程遠い加熱/冷却条件は、印刷されたままの部品で望ましい相を一貫して得るのに大きな課題を引き起こします。 今回我々は、その場での高速、高エネルギー、高分解能X線回折によって明らかになった相変態ダイナミクスに導かれたマルテンサイトステンレス鋼の開発について報告する。 この開発されたステンレス鋼は、幅広い冷却速度 (102 ～ 107 ℃/秒) にわたって所望の完全マルテンサイト構造を一貫して形成するため、完全マルテンサイト構造の部品の直接印刷が可能になります。 印刷されたままの材料は、析出硬化熱処理後の鍛造品と同等の 1157 ± 23 MPa の降伏強度を示します。 印刷されたままの特性は、完全なマルテンサイト構造と、積層造形における固有の熱処理中に形成される微細な析出物に起因すると考えられます。 ここで実証された相変態ダイナミクスに基づく合金開発戦略は、積層造形に特化した信頼性の高い高性能合金の開発への道を開きます。