Ett oönskat drag som finns i traditionellt bearbetade superlegeringar finns inte i en 3D-tryckt, nickelbaserad superlegering, enligt ett team av materialforskare som tror att detta kan leda till nya tillverkningstekniker som möjliggör legeringar med skräddarsydda egenskaper.

Egenskapen, kallad dynamisk stamåldring (DSA), förekommer i metaller vid höga temperaturer som utsätts för stress. I konventionellt bearbetade material, om DSA finns, materialets hållfasthet varierar med applicerad deformation, vilket resulterar i tandade spännings-töjningskurvor.

Forskare, ledd av Allison Beese, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State, testade den 3D-tryckta Inconel 625 kontra traditionellt bearbetade Inconel 625 med hjälp av neutrondiffraktionskarakterisering med mekanisk testning vid Oak Ridge National Laboratory. Data som samlats in på mikroskopisk nivå gav en bild av kornnivåns ursprung för den tandade spänningskurvan, och resulterade i en ny förståelse av mikrostrukturmekanismerna som driver detta fenomen. Denna forskning, publiceras i Naturkommunikation , skulle kunna bana väg för design av material utan dynamisk åldrande.

Superlegeringar är metaller med hög hållfasthet och korrosionsbeständighet, även vid höga temperaturer.

"Vi såg de karakteristiska tandade spänningskurvorna i konventionellt bearbetad Inconel 625 vid förhöjda temperaturer, där flödesspänningen svänger upp och ner när materialet deformeras upp och ner, "Sade Beese." Det är inte ett idealiskt beteende för material att ha eftersom det kan leda till tidigt brott och oförutsägbart beteende. "

Forskarna fann att den konventionella legeringen hade en slumpmässig kristallstruktur men att den 3-D-tryckta versionen hade en bättre kristallstruktur och mer finfördelade partiklar.

"Vi använde en unik experimentell uppsättning för att förhöra mekaniken på kornnivån, "Sa Beese." Vi ville förstå hur det bidrar till skillnaden i makroskopiskt beteende som vi ser mellan dessa två former av Inconel 625 som hade samma grundkomposition, men tillverkades på olika sätt. Vi kunde utveckla en mesoskopisk förståelse av DSAs ursprung, som tidigare saknats."

Teamet tillskrev bristen på DSA i det 3-D-tryckta materialet till en kombination av finare partiklar fördelade i kornen av detta material och bättre kristallstruktur i materialet, vilket resulterar i riktningsberoende egenskaper, liknar trä, där materialet har skillnader i styrka tvärs mot kornet.

Beese sa att ytterligare forskning kan tillåta att det 3-D-tryckta materialet kan justeras ytterligare för önskad prestanda under initial bearbetning eller med användning av värmebehandlingar före tillverkning för att justera partiklarna och kornstrukturerna. Att skriva ut superlegeringar till nästan nettoform är också användbart eftersom superlegeringar, på grund av sin styrka, är svåra att bearbeta. Utskrift minskar bearbetningskraven, tillsammans med mängden bortkastat material, och kan vara till nytta.

Denna forskning, Beese sa, kan hjälpa till att förbättra långvariga modeller som används för att designa och förstå metaller som genomgår DSA under deformation, och även tillhandahålla mål för design av nya metalliska material, särskilt de som tillverkas med hjälp av additiv tillverkning.