impressão3D pode permitir a produção eficiente de estruturas elaboradas difíceis de realizar convencionalmente sem resíduos, tais como as geometrias ocas deníquel-based superliga componentes da indústria aeronáutica. Para explorar plenamente este método, temos de avançar paranovas ligas e processos.
Conventional fabricação superliga
Superalloys, uma família de misturas de metal com base emníquel, cobalto, ou ferro, são resistentes à deformação a alta temperatura, a corrosão e oxidação, particularmente quando se opera a elevada temperatura próxima ao seu ponto de fusão. Eles foram primeiro desenvolvido para componentes de turbinas de gás em motores turbo-jacto, e são agora amplamente utilizados para aplicações de alta temperaturanas indústrias aeroespaciais e de geração de energia. Para alcançar estas propriedades a alta temperatura (tanto química e mecânica), de controlo da microestrutura é crítica e é activado por uma combinação de específico de liga da adição de elementos e processos de fabricação cuidadosas.
Nickel-based superligas, a primeira e melhor-developed superliga família, dependem de uma microestrutura de duas fases que consiste de uma fase de fortalecimento-a dispersão de precipitados (de L12 cristalografia (Ni, Co) 3 (Al, Ti, Ta) ) chamado γ '-grownnuma matriz de Cr-enriched Ni. Outros elementos de liga, tais como refractários (Re, Mo, W) ou metalóides (B, C) também podem ser adicionados. Com basena sua química, estas ligas são alguns dos humanidade mais complexa projetou. Durante o processamento convencional, esta precipitação cruciais ocorre através de uma reacção de difusão-controlled durante o arrefecimentona gama de temperaturas 1000-750 ° C1.
Manufacturing é tradicionalmente o 'Aquiles calcanhar' de aplicações de superligas--structurally som propriedades mecânicasnão foram alcançados sem fabricação subtractivo longo-winded e onerosa através maquinagem de peças fundidas. Hoje, ainda usamos processos de fundição de precisão de investimento que remontam à antiguidade clássica. Por exemplo, para produzir uma lâmina de turbina motor a jacto, tanto um modelo de cera e sílica-based réplica dos canais de refrigeração sãonecessárias para criar um molde de cerâmica para cada componente produzido, em que kg de metal fundido são expressos sob vácuo. Arrefecimento até às condições ambiente leva várias horas, e é impossível suprimir a precipitação do γ 'precipitados durante o arrefecimento; Além disso, muito cuidadoso tratamento térmico subsequente de várias horas a~1300 ° C énecessária--just abaixo da temperatura de fusão--to reduzir a segregação dendrítica química a partir da via de fundição. Finalmente, usinagem énecessária para moldar a geometria da lâmina de turbina complicado final. O processo de moldagem de revestimento envolve vários controlos de processos químicos e com resíduos/scrappage significativo gerado durante a fundição e maquinagem subsequente das partes da turbina: apenas cerca de 10% das extremidades superliga-se como goods2 acabado
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3D imprimir como umanova via de processamento de superligas
impressãoUsando 3D, ou de fabrico aditivo (AM), em vez de fundição de precisão permite o processamento para ocorrer de forma radicalmente diferente, com reduziu as etapas de fabricação e resíduos de processamento mínimo. A soldadura a laser-based e consolidação de pó sólido de algumas dezenas de micra de diâmetro, a camada-por-layer, sob introdução directa de um sistema de criaçãonaided (CAD) computador \\, confere um como-e-yet liberdade inexplorado de desenho : estruturas ocas, espuma-like ou reticulado-based arquitecturas, com uso mais eficiente de materiais de um aditivo ao contrário de maneira subtractiva. Além disso, o processo de AM, com a sua fusão e re-melting de tamanho pó fino em comprimento micron e escala de tempo, leva a altas velocidades de arrefecimento de 103-106 ° C-s e uma resposta metalúrgico muito diferente para processing3. Solidificação dá origem a um microstructure4 muito fino celular em vez de dendrítica, que elimina virtualmente a segregação dendrítica encontradono processamento convencional, removendo anecessidade de um passo de homogeneização química. A precipitação de γ 'também é suprimida pela velocidade de arrefecimento grave, permitindonano/Scale precipitação para ser adaptada durante o tratamento térmico subsequente para melhorar a properties5. A fase de precipitação pode ser optimizada através da concepção denovos protocolos de tratamento térmico para se obter microstruturas desejáveis associadas com alta resistência em superalloys6 AM.-
Contudo, aplicação generalizada de AM em superligas para estruturas ocas complexas tais como aerojet pás da turbina aindanão é simples. A fim de conseguir técnicas de alavancagem AM em superligas, precisamos de uma melhor compreensão da ciência do processo; muitos aspectos do mesmo são obscuras porque os fundamentos de AM envolver vários fenómenos físicos e químicos em comprimento e escalas temporais (ver Fig. 1). Por exemplo, quando o laser entra em contacto com o pó de metal, todas as possíveis quatro estados de matéria---solid, líquido, vapor de gás e plasma-interact7, e muito poucas, se existir qualquer física-based modelos para resolver esta complexidade. Além disso, anatureza das rápidas e repetidas ciclos induz térmicos intensos gradientes térmicos e estados assim químicas, estruturais e mecânicas que são metaestável, desencadeando defects8 metalúrgico, que prejudicam a properties9.-
Finalmente, superligas mais convencionais podenão ser prontamente migrado de fundição de precisão de impressão 3D, porque eles foram otimizados para rotas de processamento específicas, por exemplo, forjandowelding e fundição. Devido ao ciclo térmico rápido e repetido o processo de AM,novas composições que tiram proveito destes parâmetros de processamento podem ser concebidos por meio de uma composição computacional \\ dadosnprocess \\ abordagemndriven a microestrutura alfaiate e propriedades para AM rates3 arrefecimento. os tiposnovos de superligas optimizadas para impressão em 3D e destinados a atenuar os defeitos metalúrgicas tais como a porosidade e cracking10 em alta críticotemperature componentes são, portanto, a chave para tomada comercial bem sucedido-up-\\.--