I årtusenden, metallurger har noggrant justerat ingredienserna i stål för att förbättra dess egenskaper. Som ett resultat, flera varianter av stål finns idag; men en typ, kallas martensitiskt stål, sticker ut från sina stålkusiner som starkare och mer kostnadseffektiva att producera. Därav, martensitiska stål lämpar sig naturligtvis för applikationer inom flyg- och rymdindustrin, fordons- och försvarsindustrin, bland andra, där höghållfasthet, lätta delar måste tillverkas utan att kostnaderna ökar.

Dock, för dessa och andra applikationer, metallerna måste byggas in i komplexa strukturer med minimal förlust av styrka och hållbarhet. Forskare från Texas A&M University, i samarbete med forskare vid Air Force Research Laboratory, har nu utvecklat riktlinjer som tillåter 3D-utskrift av martensitiska stål till mycket robusta, defektfria föremål av nästan vilken form som helst.

"Starka och sega stål har enorma tillämpningar men de starkaste är vanligtvis dyra - det enda undantaget är martensitiska stål som är relativt billiga, kostar mindre än en dollar per pund, " sa Dr. Ibrahim Karaman, Chevron Professor I och prefekt för Institutionen för materialvetenskap och teknik. "Vi har utvecklat ett ramverk så att 3-D-utskrift av dessa hårda stål är möjlig till valfri geometri och det slutliga objektet kommer att vara praktiskt taget defektfritt."

Även om förfarandet som utvecklades ursprungligen var för martensitiska stål, Forskare från Texas A&M sa att de har gjort sina riktlinjer tillräckligt generella så att samma 3D-utskriftspipeline kan användas för att bygga intrikata föremål från andra metaller och legeringar också.

Resultaten av studien rapporterades i decembernumret av tidskriften Acta Materialia .

Stål är gjorda av järn och en liten mängd andra element, inklusive kol. Martensitstål bildas när stål värms upp till extremt höga temperaturer och sedan snabbt kyls. Den plötsliga kylningen begränsar onaturligt kolatomer i järnkristaller, ger martensitiskt stål dess signaturstyrka.

För att ha olika applikationer, martensitiska stål, särskilt en typ som kallas låglegerade martensitiska stål, måste sättas ihop till föremål av olika former och storlekar beroende på en viss applikation. Det är när additiv tillverkning, mer känd som 3-D-utskrift, ger en praktisk lösning. Genom att använda denna teknik, komplexa föremål kan byggas lager för lager genom att värma och smälta ett enda lager metallpulver längs ett mönster med en skarp laserstråle. Vart och ett av dessa lager sammanfogade och staplade skapar det slutliga 3D-utskrivna objektet.

Dock, 3-D-utskrift av martensitiska stål med laser kan introducera oavsiktliga defekter i form av porer i materialet.

"Porositeter är små hål som kraftigt kan minska styrkan hos det slutliga 3D-utskrivna föremålet, även om råmaterialet som används för 3D-utskrift är mycket starkt, " sa Karaman. "För att hitta praktiska tillämpningar för det nya martensitiska stålet, vi behövde gå tillbaka till ritbordet och undersöka vilka laserinställningar som kunde förhindra dessa defekter."

För sina experiment, Karaman och Texas A&M-teamet valde först en befintlig matematisk modell inspirerad från svetsning för att förutsäga hur ett enda lager martensitiskt stålpulver skulle smälta för olika inställningar för laserhastighet och kraft. Genom att jämföra typen och antalet defekter de observerade i ett enda spår av smält pulver med modellens förutsägelser, de kunde ändra sitt befintliga ramverk något så att efterföljande förutsägelser förbättrades.

Efter några sådana iterationer, deras ramverk kunde förutsäga korrekt, utan att behöva ytterligare experiment, om en ny, oprövad uppsättning laserinställningar skulle leda till defekter i det martensitiska stålet. Forskarna sa att denna procedur är mer tidseffektiv.

"Att testa hela utbudet av laserinställningsmöjligheter för att utvärdera vilka som kan leda till defekter är extremt tidskrävande, och ibland, till och med opraktisk, sa Raiyan Seede, en doktorand vid Tekniska Högskolan och huvudförfattaren till studien. "Genom att kombinera experiment och modellering, vi kunde utveckla en enkel, snabbt, steg-för-steg procedur som kan användas för att bestämma vilken inställning som skulle fungera bäst för 3-D-utskrift av martensitiska stål."

Seede noterade också att även om deras riktlinjer utvecklades för att säkerställa att martensitiska stål kan tryckas utan deformiteter, deras ram kan användas för att skriva ut med vilken annan metall som helst. Han sa att denna utökade applikation beror på att deras ramverk kan anpassas för att matcha observationerna från enkelspårsexperiment för vilken metall som helst.

"Även om vi började med fokus på 3D-utskrift av martensitiska stål, vi har sedan dess skapat en mer universell utskriftspipeline, " sade Karaman. "Också, våra riktlinjer förenklar konsten att 3D-utskrift av metaller så att slutprodukten är utan porositet, vilket är en viktig utveckling för alla typer av metalltillsatstillverkningsindustrier som gör delar så enkla som skruvar till mer komplexa som landningsställ, växellådor eller turbiner."