Microstruttura e proprietà meccaniche dei singoli cristalli CSMX-4 preparati dalla produzione additiva

La produzione additiva di metalli è sia un’arte che una scienza, e un’area di studio che cresce e si evolve costantemente man mano che i nuovi materiali vengono sviluppati. In un nuovo documento di ricerca intitolato “Microstruttura e proprietà meccaniche dei singoli cristalli CSMX-4 preparati dalla produzione additiva”, a cui si può accedere qui , un gruppo di scienziati discute CSMX-4, una superlega singola cristallina di seconda generazione.

CSMX-4 e altre leghe come questa sono altamente suscettibili al cracking e quindi sono considerate difficilmente saldabili o addirittura non saldabili. Di recente, però, gli esperti di materiali hanno esaminato l’elaborazione di questi tipi di leghe utilizzando la produzione additiva. I ricercatori che hanno scritto questo recente articolo hanno scoperto che CSMX-4 può essere processato senza crepe usando la fusione del fascio di elettroni.
CSMX-4 è un’area emergente nella stampa 3D, quindi 3DPrint.com ha intervistato Ulf Ackelid, Senior Scientist di Freemelt per spiegarci il materiale. Ulf ha una lunga esperienza nella stampa 3D, in particolare con EBM e profonda esperienza nel settore dei materiali, sebbene ci abbia consigliato di non essere un esperto di CSMX-4. Ha detto questo sulle superleghe di nichel cristallino:

“Tali materiali sono utilizzati nelle pale delle turbine, a causa delle loro proprietà uniche del materiale. Hanno un’eccellente resistenza alla deformazione viscosa dovuta al fatto che sono liberi dai bordi dei grani dove lo scorrimento avviene preferenzialmente. I componenti SX in materiali come CMSX-4 sono tradizionalmente fabbricati con tecnologie di fusione molto speciali. È molto promettente che la fattibilità di produrre materiale SX con AM sia stata dimostrata negli ultimi anni dal team dell’Università di Erlangen e dai loro colleghi di lavoro. Potresti anche definirlo un successo. Apre nuove possibilità di produzione in una prospettiva a lungo termine “.

Campione SX SEBM CMSX-4® con singolo nucleo cristallino. (a) Sezione trasversale verticale as-built, (b) sezione trasversale orizzontale e mappatura EBSD, (c) sezione trasversale verticale dopo il trattamento termico
I ricercatori hanno utilizzato un sistema EBM Arcam A2 per preparare campioni stampati in 3D del materiale in superlega. Alcuni dei campioni sono stati sottoposti a trattamento termico e confrontati con campioni as-built, nonché materiale standard fuso e materiale fuso trattato termicamente. Una volta stampati i campioni, sono stati sottoposti a vari test: prove di trazione, durezza, fatica a basso numero di cicli, creep e microstrutturali. I ricercatori hanno scoperto che la forza e la duttilità aumentavano con temperature più alte fino a 800 ° C. I valori di resistenza dei campioni trattati termicamente erano paragonabili a quelli misurati per il materiale di fusione convenzionale.

I campioni EBM trattati termicamente hanno anche prodotto alti valori di allungamento e contrazione. Tutto sommato, sembra che i campioni trattati termicamente abbiano funzionato meglio dei campioni as-built, e fossero comparabili se non superiori ai campioni cast, trattati termicamente o meno.

“Le proprietà meccaniche di SX CMSX-4 ®  prodotte dalla fusione selettiva del fascio di elettroni (SEBM) sono state studiate nelle condizioni as-built e completamente trattate termicamente e confrontate con il materiale convenzionale fuso e trattato termicamente”, affermano i ricercatori. “Le microstrutture del SEBM e del materiale fuso si differenziano per le dimensioni delle dendrite di circa due ordini di grandezza con una distanza di dendrite molto più piccola nel materiale SEBM e di conseguenza pori di solidificazione interdendritici molto più piccoli. L’ulteriore trattamento termico del materiale SEBM si traduce in un’omogeneizzazione completa tale che la struttura di dendrite svanisce e non rimangono segregazioni chimiche. ”
Microstruttura as-built e durezza corrispondente: (a) Immagini SEM della microstruttura in funzione della distanza dallo strato superiore. La sezione trasversale è perpendicolare alla direzione dell’edificio. Le aree dendritiche e interdendritiche sono contrassegnate rispettivamente con DA e IA. (b) Durezza in funzione della distanza dallo strato superiore. (c) Ingrandimento della microstruttura as-built γ / γ ‘con γ’ grossolano nell’area interdendritica
Ci sono diversi vantaggi nella produzione di superleghe monocristalline tramite la stampa 3D, molte delle quali sono simili ai vantaggi della produzione additiva in generale. Secondo Ackelid, questi vantaggi includono:

Evitare difetti di fusione grossolani
La possibilità di implementare il monitoraggio e il controllo in-situ del processo, strato per strato, dal basso verso l’alto del componente
Basso spreco di materiale e alta riciclabilità
Elevata libertà di progettazione e flessibilità
Brevi tempi di consegna
Basso rischio di contaminazione dovuto all’elevata purezza dell’ambiente nella macchina di produzione additiva
Gli autori del documento includono C. Körner, M. Rampsberger, C. Meid, D. Bürger, P. Wollgram, M. Bartsch e G. Eggeler.

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