Решена проблема брака мартенситной стали

Прочно, недорого, быстро  

Мартенситная сталь отличается от других сталей высокой прочностью и относительно невысокой стоимостью, поэтому часто используется там, где нужны легкие, прочные и недорогие детали – в аэрокосмической, автомобильной и оборонной промышленности. Была только одна проблема при производстве – большое количество брака. 

Этой проблемой занялись исследователи из Техасского университета A&M Engineering, в сотрудничестве с учеными из лаборатории ВВС (AFRL). Они разработали технологию 3D-печати мартенситных сталей, позволяющую изготавливать детали любой формы практически без дефектов. В перспективе ее можно будет использовать для создания сложных объектов из других металлов и сплавов.

Мартенситные стали образуются при нагреве сталей до чрезвычайно высоких температур, а затем быстрого охлаждения, что задерживает атомы углерода внутри кристаллов железа, придавая мартенситной стали особую прочность.

При помощи 3D-печати изделия сложной формы могут быть созданы путем нагрева и плавления металлического порошка с помощью лазерного луча и послойного отверждения (технология SLM (Selective Laser Melting) – селективное (выборочное) лазерное плавление). Однако 3D-печать мартенситных сталей с использованием лазеров иногда приводит к появлению дефектов в виде пор и раковин внутри изделий.

Математическая модель поможет с прогнозом 

Для своих экспериментов руководитель группы исследователей профессор Ибрагим Караман (Ibrahim Karaman), заведующий кафедрой материаловедения и инженерии университета Texas A&M Engineering выбрал существующую математическую модель процесса сварки, чтобы предсказать, как один слой порошка мартенситной стали будет плавиться при различных настройках мощности лазера и скорости печати. Сравнивая тип и количество дефектов, которые они наблюдали в одном слое расплавленного порошка с расчетами модели, они смогли изменить показатели так, чтобы добиться оптимального результата. Это привело к созданию программной платформы, которая может правильно рассчитать, приведет ли новый непроверенный набор лазерных настроек к дефектам при печати сталью.

«Тестирование всего спектра возможностей лазерной установки, чтобы оценить, какие из них могут привести к дефектам, является чрезвычайно трудоемким, а иногда и непрактичным», - сказал Райан Сиде (Raiyan Seede), аспирант Инженерного колледжа и основной автор исследования. – Объединив эксперименты и моделирование, мы смогли разработать простую, быструю, пошаговую процедуру, которая может быть использована для определения того, какая установка будет работать лучше всего для 3D-печати мартенситных сталей. Хотя основные принципы разработаны для мартенситных сталей, чтобы можно было печатать их без деформаций, но технологию можно использовать для печати любым другим металлом. 

Изобретение является важным шагом для развития всех типов металлургических аддитивных производств, что позволит быстро изготавливать особо прочные и легкие изделия, такие как судовые винты, шасси самолетов, шестерни коробки передач автомобилей или турбины.

Российские аналоги

Подобную проблему успешно решили и российские исследователи из Института физики прочности и материаловедения СО РАН. Они создали первый отечественный 3D-принтер с проволокой в качестве филамента, что позволяет печатать металлом быстрее и дешевле, чем при порошковой технологии. Это дает возможность применения 3D-печати при производстве крупногабаритных металлоконструкций, сокращая при этом производственный цикл с нескольких месяцев до нескольких часов.

Исследования американских и российских ученых напоминают критические точки стали, открытые русским ученым Дмитрием Константиновичем Черновым во время исследований на Обуховском сталелитейном заводе в 1868 г. Он определил условия, при которых сталь меняет свою структуру и становится мелкозернистой, повышая при этом прочность заготовки. Теперь эти технологии нашли применение в порошковой и проволочной металлургии.  

По материалам и фото Университета A&M Engineering