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Aug 02, 2023

Pour la première fois, l'acier inoxydable peut être imprimé en 3D tout en conservant ses caractéristiques

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Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), de l'Université du Wisconsin-Madison et du Laboratoire national d'Argonne ont élaboré des compositions particulières d'acier 17-4. Une fois imprimés, ils correspondent aux propriétés de la version fabriquée de manière conventionnelle.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans le numéro de novembre d'Additive Manufacturing. Ils ont utilisé des rayons X à haute énergie provenant d'un accélérateur de particules pour acquérir les données.

La force et l'endurance sont cruciales pour les centrales nucléaires, les cargos, les avions et d'autres technologies clés, explique le NIST. Pour cette raison, beaucoup sont fabriqués en acier inoxydable à durcissement par précipitation (PH) en alliage 17-4 extrêmement durable. Pour la toute première fois, l'acier 17-4 PH peut désormais être imprimé en 3D de manière fiable tout en conservant ses propriétés bénéfiques.

Les dernières recherches pourraient rendre l'impression 3D plus rentable et plus flexible pour les fabricants d'articles 17-4 PH. La méthode utilisée pour étudier la substance dans cette étude peut également jeter les bases d'une meilleure compréhension de la façon d'imprimer diverses substances et de prévoir leurs qualités et leurs performances.

"Lorsque vous pensez à la fabrication additive de métaux, nous soudons essentiellement des millions de minuscules particules de poudre en une seule pièce avec une source de haute puissance telle qu'un laser, les fondant dans un liquide et les refroidissant en un solide", a déclaré un physicien du NIST. Fan Zhang, co-auteur de l'étude.

"Mais la vitesse de refroidissement est élevée, parfois supérieure à un million de degrés Celsius par seconde, et cette condition de non-équilibre extrême crée un ensemble de défis de mesure extraordinaires."

Les chercheurs ont commencé à explorer ce qu'ils pouvaient faire pour comprendre ce qui se passe lors d'un changement rapide de température et orienter la structure intérieure vers la martensite.

Pour examiner les changements structurels rapides qui se produisent en quelques millisecondes, les chercheurs avaient besoin d'outils spécialisés. Ils ont découvert que la diffraction des rayons X synchrotron, ou XRD, était la technique idéale pour cela.

"Dans XRD, les rayons X interagissent avec un matériau et formeront un signal qui ressemble à une empreinte digitale correspondant à la structure cristalline spécifique du matériau", a déclaré Lianyi Chen, professeur de génie mécanique à UW-Madison et co-auteur de l'étude.

Fan Zhang et al.

Les auteurs ont pu affiner la composition de l'acier pour trouver un ensemble de compositions composées uniquement de fer, de nickel, de cuivre, de niobium et de chrome qui fonctionnaient car ils avaient maintenant une bonne compréhension de la dynamique structurelle lors de l'impression comme référence. .

"Le contrôle de la composition est vraiment la clé des alliages d'impression 3D. En contrôlant la composition, nous sommes en mesure de contrôler la façon dont elle se solidifie. Nous avons également montré que, sur une large gamme de vitesses de refroidissement, disons entre 1 000 et 10 millions de degrés Celsius par seconde , nos compositions donnent systématiquement un acier 17-4 PH entièrement martensitique », a déclaré Zhang.

Les travaux récents pourraient également avoir une influence au-delà de l'acier 17-4 PH. Les informations obtenues à partir de la méthode basée sur XRD pourraient être utilisées pour développer et tester des modèles informatiques destinés à prévoir la qualité des articles imprimés en plus d'optimiser d'autres alliages pour l'impression 3D.

"Notre 17-4 est fiable et reproductible, ce qui abaisse la barrière pour une utilisation commerciale. S'ils suivent cette composition, les fabricants devraient être en mesure d'imprimer des structures 17-4 qui sont tout aussi bonnes que les pièces fabriquées de manière conventionnelle", a déclaré Chen.

Abstrait:

Les technologies de fabrication additive basées sur la fusion permettent la fabrication de pièces géométriquement et compositionnellement complexes irréalisables par les méthodes de fabrication conventionnelles. Cependant, les conditions de chauffage/refroidissement non uniformes et loin de l'équilibre posent un défi important à l'obtention constante des phases souhaitables dans les pièces imprimées. Nous rapportons ici un développement d'acier inoxydable martensite guidé par la dynamique de transformation de phase révélée par la diffraction des rayons X in situ à haute vitesse, haute énergie et haute résolution. Cet acier inoxydable développé forme systématiquement la structure entièrement martensitique souhaitée sur une large gamme de vitesses de refroidissement (102–107 ℃/s), ce qui permet l'impression directe de pièces avec une structure entièrement martensitique. Le matériau tel qu'imprimé présente une limite d'élasticité de 1157 ± 23 MPa, comparable à son homologue corroyé après traitement thermique de durcissement par précipitation. La propriété telle qu'imprimée est attribuée à la structure entièrement martensitique et aux fins précipités formés lors du traitement thermique intrinsèque dans la fabrication additive. La stratégie de développement d'alliages guidés par la dynamique de transformation de phase démontrée ici ouvre la voie au développement d'alliages fiables et performants spécifiques à la fabrication additive.