3D Druck kann für die effiziente Herstellung von aufwendigen Strukturen ermöglicht schwierig konventionell ohne Abfall zu realisieren, wie beispielsweise die Hohl Geometrien von Nickel-based Superlegierung aeronautic Komponenten. Um vollständig zu dieser Methode auszunutzen, müssen wir aufneue Legierungen und Prozesse zu bewegen.
Conventional Superlegierung Herstellung
Superalloys, eine Familie von Metallmischungen auf Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen, sind beständig gegenüber Hochtemperaturverformung, Korrosion und Oxidation, insbesondere dann, wenn bei erhöhter Temperaturnahe ihren Schmelzpunkt arbeitet. Sie wurden zuerst für Gasturbinenkomponenten in Turbojetmotoren entwickelt und sind heute weit verbreitet für Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt und Energieerzeugungsindustrie. Um diese Hochtemperatureigenschaften (sowohl mechanisch als auch chemisch) zu erreichen, mikrostrukturelle Kontrolle ist entscheidend und wird durch eine Kombination von spezifischem Legierungselement Additionen und sorgfältige Herstellungsverfahren aktiviert.
Nickel-based Superlegierungen, die älteste und am besten-developed Superlegierungsfamilie, stützen sich auf eine Zwei-Phasen-Mikrostruktur aus einer festigkeitssteigernden Phase, bestehend\-na Dispersion von (Ni, Co) & sub3; (Al, Ti, Ta) Ausfällungen (von L12 Kristallographie ) genannt γ '-grown in einer Matrix aus Crenriched Ni. Andere Legierungselemente, wie beispielsweise feuerfeste Materialien (Re, Mo, W) oder Metalloiden (B, C) können ebenfalls hinzugefügt werden. Auf der Grundlage ihrer Chemie sind diese Legierungen einige der komplexesten Menschheit entwickelt hat. Bei der konventionellen Verarbeitung tritt diese entscheidende Ausfällung über eine Diffusions-controlled Reaktion während der Abkühlung im Temperaturbereich von 1000-750 ° C1.-
Manufacturing ist traditionell die \"Achilles Ferse der Superlegierung Anwendungen--structurally mechanische Eigenschaften klingennicht ohne lange erreichtwinded und kostspielig subtraktiven Herstellung über Gussteile der Bearbeitung. Heute haben wirnoch Präzisionseinbettmasse Gießprozesse, dass reichen zurück bis in die Antike verwenden. Zum Beispiel kann ein Strahltriebwerk Turbinenschaufel, die beide ein Wachsmodell und Siliciumdioxid-based Nachbildung der Kühlkanäle erforderlich sind, um eine keramische Form für jede Komponente erzeugt zu schaffen, in die Metallschmelze Kilogramm werden unter Vakuum gegossen. Abkühlen auf Umgebungsbedingungen dauert mehrere Stunden, und es ist unmöglich, die Fällung der γ 'Ausfällungen während der Abkühlung zu unterdrücken; Darüber hinaus sehr vorsichtig anschließende Wärmebehandlung von mehreren Stunden bei-1300 ° C benötigt wird, um~--just unterhalb die Schmelztemperatur--to chemische dendritische Segregation von der Gießt Route zu reduzieren. Schließlich wird die abschließende Bearbeitung komplizierte Turbinenschaufelgeometrie zu formen, erforderlich. Das Feingussverfahren umfasst mehrere chemische und Prozesssteuerungen mit erheblichen Abfallscrappage während des Gießens undnachfolgenden Bearbeitung der Turbinenteile erzeugt:nur etwa 10% der Superlegierung Enden als fertige goods2 up/
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3D Druck wie eineneue Verarbeitungs avenue für Superlegierungen
Mit 3D-Druck oder additive Herstellungs (AM), kann anstelle des Feinguß Verarbeitung radikal anders auftreten, mit reduzierte Herstellungsschritte und minimale Verarbeitungsabfälle. Die Laserbased Schmelzen und Konsolidierung von festem Pulver von einigen zehn Mikrometern im Durchmesser, Schicht-by-LAYER, unter direkter Eingabe von einem Computer-aided Design (CAD) System, ein, wie aufgeführt-OF-yet ungenutzte Gestaltungsfreiheit : Hohlstrukturen, Schaum-like oder Gitter-based Architekturen mit einer effektiveren Verwendung von Materialien in einem Additiv, wie zum subtraktiven Weise gegenüberliegen. Darüber hinaus ist der AM-Prozess, mit dem Schmelzen und Wieder-melting von feiner Pulvergröße in Mikrometern Länge und Zeitskala, führt zu hohen Abkühlgeschwindigkeiten von 103-106 ° C-s und eine sehr unterschiedlichen metallurgischen Reaktion auf processing3. Erstarrung führt zu einer sehr feinen Zell eher als dendritische microstructure4, die praktisch die dendritischen Segregation in der herkömmlichen Verarbeitung gefunden eliminiert, wodurch die Notwendigkeit für eine chemische Homogenisierung Schritt zu entfernen. Die Fällung von γ 'wird auch von der schweren Abkühlrate unterdrückt, so dass fürnano/scale Präzipitation während dernachfolgenden Wärmebehandlung für verbesserte properties5 zuzuschneiden. Die Fällungsphase kann Protokolle, die von der Entwicklungneuer Wärmebehandlung optimiert werden, wünschenswert, Mikrostrukturen zu erhalten, mit einer hohen Festigkeit in AM superalloys6 verbunden.-
Allerdings, weit verbreitete Anwendung von AM in Superlegierungen für komplexe Hohlstrukturen wie aerojet Turbinenschaufeln immernochnicht einfach. Um in Superlegierungen erfolgreich Hebel AM Technik, brauchen wir ein besseres Verständnis der Wissenschaft des Prozesses; viele Aspekte davon sind unklar, weil die Grundlagen der AM mehrere physikalische und chemische Phänomene in Längen- und Zeitskalen beinhalten (siehe Abb. 1). Zum Beispiel, wenn der Laser in Kontakt mit dem Metallpulver kommt, wird alle vier mögliche Zustände der Materie---solid, Flüssigkeit, Gas Dampf und plasm-interact7, und sehr wenige oder gar keine Physik-based Modelle existieren diese Komplexität zu begegnen. Darüber hinaus ist die Art der schnellen und thermischen Zyklen induziert intensiven Wärmegradienten wiederholt und somit chemischen, strukturellen und mechanischen Zustände, die metastabil sind, Triggern metallurgische defects8 welche jeopardize properties9.-
finally, die meisten konventionellen Superlegierungen sein kannnicht ohne weiteres migriert aus Feinguss zu den 3D-Druck, weil sie für bestimmte Verarbeitungswege optimiert wurden, zB Schmiedenwelding und Gießen. Aufgrund der schnellen und thermischen Zyklen des AM-Verfahren,neue Zusammensetzungen wiederholt, dass die Vorteile dieser Verarbeitungsparameter erfolgen kann über eine rechnerische Zusammensetzungprocess data-driven Ansatz zu schneidern Mikrostruktur und Eigenschaften für AM Kühl rates3 ausgelegt sein. Neuartige Sorten von Superlegierungen für den 3D-Druck optimiert und entwickelt, um metallurgische Defekte zu mildern wie Porosität und cracking10 in kritischen Hoch-temperature Komponenten sind daher der Schlüssel für eine erfolgreiche kommerziellenehmen-up-.