Il secondo articolo di Science sulla tecnologia di stampa 3D nel 2024 è stato pubblicato l'8 febbraio.

provenire da (un luogo)Università del Queensland, Australia(Jingqi Zhang et al,)Università di Chongqing(Ziyong Hou, Xiaoxu Huang),Università tecnica della DanimarcaIl team congiunto ha pubblicato un articolo intitolato "Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design". Lega di titanio stampata in 3D ultrauniforme, forte e duttile grazie alla progettazione di una lega bifunzionale".La lega di titanio preparata con la stampa 3D raggiungeCon un carico di snervamento di 926 MPa e una duttilità di 261 TP3T, si ottiene un equilibrio tra resistenza e duttilità.

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.