HRL Laboratories har gjort ett genombrott inom metallurgin med tillkännagivandet att forskare vid den berömda anläggningen har utvecklat en teknik för framgångsrik 3D-utskrift av höghållfasta aluminiumlegeringar – inklusive typerna Al7075 och Al6061 – som öppnar dörren till additiv tillverkning av ingenjörstekniska relevanta legeringar. Dessa legeringar är mycket önskvärda för flygplan och bildelar och har varit bland tusentals som inte varit mottagliga för additiv tillverkning – 3D-utskrift – en svårighet som har lösts av HRL-forskarna. En ytterligare fördel är att deras metod kan tillämpas på ytterligare legeringsfamiljer som höghållfasta stål och nickelbaserade superlegeringar som är svåra att bearbeta för närvarande i additiv tillverkning.

"Vi använder en 70 år gammal kärnbildningsteori för att lösa ett 100 år gammalt problem med en 2000-talsmaskin, sa Hunter Martin, som ledde teamet tillsammans med Brennan Yahata. Båda är ingenjörer i HRL:s Sensors and Materials Laboratory och doktorander vid University of California, Santa Barbara studerar med professor Tresa Pollock, en medförfattare till studien. Deras pappers-3D-utskrift av höghållfasta aluminiumlegeringar publicerades den 21 september, 2017 års nummer av Natur .

Additiv tillverkning av metaller börjar vanligtvis med legeringspulver som appliceras i tunna skikt och värms upp med en laser eller annan direkt värmekälla för att smälta och stelna skikten. I vanliga fall, om höghållfasta osvetsbara aluminiumlegeringar som Al7075 eller AL6061 används, de resulterande delarna lider av allvarliga hetsprickor - ett tillstånd som gör att en metalldel kan dras isär som en flagnande kex.

HRL:s nanopartikelfunktionaliseringsteknik löser detta problem genom att dekorera höghållfasta osvetsbara legeringspulver med speciellt utvalda nanopartiklar. Det nanopartikelfunktionaliserade pulvret matas in i en 3D-skrivare, som skiktar pulvret och laser-fuserar varje lager för att konstruera ett tredimensionellt objekt. Under smältning och stelning, nanopartiklarna fungerar som kärnbildningsställen för den önskade legeringsmikrostrukturen, förhindrar hetsprickbildning och möjliggör bibehållande av full legeringshållfasthet i den tillverkade delen.

Eftersom smältning och stelning i additiv tillverkning är analog med svetsning, HRL:s nanopartikelfunktionalisering kan också användas för att göra osvetsbara legeringar svetsbara. Denna teknik är också skalbar och använder billiga material. Konventionella legeringspulver och nanopartiklar producerar skrivarmaterial med nanopartiklar fördelade jämnt på pulverkornens yta.

"Vårt första mål var att ta reda på hur vi skulle eliminera den heta sprickbildningen helt och hållet. Vi försökte kontrollera mikrostrukturen och lösningen borde vara något som naturligt händer med hur detta material stelnar, sa Martin.

För att hitta rätt nanopartiklar, i detta fall zirkoniumbaserade nanopartiklar, HRL-teamet anlitade Citrine Informatics för att hjälpa dem att sortera igenom de otaliga möjliga partiklarna för att hitta den med de egenskaper de behövde.

"Att använda informatik var nyckeln, ”, sade Yahata. ”Sättet som metallurgin brukade göras var genom att använda det periodiska systemet för legeringselement och att testa mestadels med trial and error. Poängen med att använda informatikmjukvara var att göra ett selektivt förhållningssätt till kärnbildningsteorin vi kände till för att hitta materialen med exakt de egenskaper vi behövde. När vi berättade för dem vad de skulle leta efter, deras big data-analys minskade fältet för tillgängligt material från hundratusentals till ett fåtal utvalda. Vi gick från en höstack till en handfull möjliga nålar."

Med denna spännande nya teknik, HRL står i spetsen för ett nytt kapitel inom additiv tillverkning av metaller för forskning, industri, och försvar.