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Aug 02, 2023

Per la prima volta l’acciaio inossidabile può essere stampato in 3D mantenendo le sue caratteristiche

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I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), dell’Università del Wisconsin-Madison e dell’Argonne National Laboratory hanno sfornato particolari composizioni di acciaio 17-4. Una volta stampati, corrispondono alle proprietà della versione prodotta convenzionalmente.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati nel numero di novembre di Additive Manufacturing. Hanno utilizzato raggi X ad alta energia provenienti da un acceleratore di particelle per acquisire i dati.

Forza e resistenza sono fondamentali per le centrali nucleari, le navi mercantili, gli aeroplani e altre tecnologie chiave, afferma il NIST. Per questo motivo, molti sono realizzati in acciaio inossidabile straordinariamente durevole in lega 17-4 indurente per precipitazione (PH). Per la prima volta, l’acciaio 17-4 PH può ora essere stampato in 3D in modo affidabile mantenendo le sue proprietà benefiche.

Le ultime ricerche potrebbero rendere la stampa 3D più economica e flessibile per i produttori di articoli 17-4 PH. Il metodo utilizzato per studiare la sostanza in questo studio può anche gettare le basi per una migliore comprensione di come stampare varie sostanze e prevederne le qualità e le prestazioni.

"Quando si pensa alla produzione additiva dei metalli, stiamo essenzialmente saldando milioni di minuscole particelle in polvere in un unico pezzo con una sorgente ad alta potenza come un laser, fondendole in un liquido e raffreddandole in un solido", ha affermato il fisico del NIST. Fan Zhang, coautore dello studio.

“Ma la velocità di raffreddamento è elevata, a volte superiore a un milione di gradi Celsius al secondo, e questa condizione estrema di non equilibrio crea una serie di sfide di misurazione straordinarie”.

I ricercatori hanno iniziato a esplorare cosa potevano fare per capire cosa succede durante un rapido cambiamento di temperatura e orientare la struttura interna verso la martensite.

Per esaminare i rapidi cambiamenti strutturali che avvengono in millisecondi, i ricercatori avevano bisogno di strumenti specializzati. Hanno scoperto che la diffrazione dei raggi X del sincrotrone, o XRD, è la tecnica ideale per questo.

"Nell'XRD, i raggi X interagiscono con un materiale e formano un segnale che è come un'impronta digitale corrispondente alla struttura cristallina specifica del materiale", ha affermato Lianyi Chen, professore di ingegneria meccanica alla UW-Madison e coautore dello studio.

Fan Zhang et al.

Gli autori sono stati in grado di mettere a punto la composizione dell'acciaio per trovare una serie di composizioni costituite solo da ferro, nichel, rame, niobio e cromo che funzionavano perché ora avevano una buona comprensione delle dinamiche strutturali durante la stampa come riferimento .

“Il controllo della composizione è davvero la chiave per le leghe per la stampa 3D. Controllando la composizione, siamo in grado di controllare come si solidifica. Abbiamo anche dimostrato che, su un’ampia gamma di velocità di raffreddamento, diciamo tra 1.000 e 10 milioni di gradi Celsius al secondo , le nostre composizioni danno costantemente come risultato un acciaio completamente martensitico 17-4 PH", ha affermato Zhang.

Il recente lavoro potrebbe avere influenza anche oltre l’acciaio 17-4 PH. Le informazioni ottenute dal metodo basato su XRD potrebbero essere utilizzate per sviluppare e testare modelli computerizzati destinati a prevedere la qualità degli articoli stampati oltre a ottimizzare altre leghe per la stampa 3D.

"Il nostro 17-4 è affidabile e riproducibile, il che abbassa la barriera per l'uso commerciale. Se seguono questa composizione, i produttori dovrebbero essere in grado di stampare strutture 17-4 che siano altrettanto buone delle parti prodotte convenzionalmente", ha detto Chen.

Astratto:

Le tecnologie di produzione additiva basate sulla fusione consentono la fabbricazione di parti complesse dal punto di vista geometrico e compositivo, irraggiungibili con i metodi di produzione convenzionali. Tuttavia, le condizioni di riscaldamento/raffreddamento non uniformi e lontane dall'equilibrio rappresentano una sfida significativa per ottenere in modo coerente le fasi desiderabili nelle parti stampate. Qui riportiamo uno sviluppo dell'acciaio inossidabile martensite guidato dalle dinamiche di trasformazione di fase rivelate dalla diffrazione di raggi X in situ ad alta velocità, alta energia e alta risoluzione. Questo acciaio inossidabile sviluppato forma costantemente la struttura completamente martensitica desiderata in un'ampia gamma di velocità di raffreddamento (102–107 ℃/s), che consente la stampa diretta di parti con una struttura completamente martensitica. Il materiale così stampato presenta una resistenza allo snervamento di 1157 ± 23 MPa, paragonabile alla sua controparte lavorata dopo il trattamento termico di indurimento per precipitazione. La proprietà "come stampato" è attribuita alla struttura completamente martensitica e ai fini precipitati formati durante il trattamento termico intrinseco nella produzione additiva. La strategia di sviluppo delle leghe guidata dalle dinamiche di trasformazione di fase qui illustrata apre la strada allo sviluppo di leghe affidabili e ad alte prestazioni specifiche per la produzione additiva.