Impresión 3D investigación y desarrollo de Scalmalloy y aleaciones de aluminio AA5754, AA6061-T6.
Este número de 3D Science Valley revela que la curva de crecimiento de grietas de Scalmalloy es similar a la de las aleaciones de aluminio AA5754 y AA6061-T6, que se utilizan ampliamente en la industria automotriz y en embarcaciones marinas.
3D Science Valley
Desarrollo de aleaciones de aluminio de alta resistencia
Según el académico Wu Xinhua, la aplicación de aleaciones de aluminio impresas en 3D de alta resistencia en el campo de La fabricación aeroespacial es particularmente importante. El objetivo principal es reducir el peso de la nave espacial y acortar el ciclo de entrega, reduciendo así los costos generales de producción y mejorando los beneficios generales. La aleación de aluminio de alta resistencia para impresión 3D puede reducir el peso de las piezas de la nave espacial entre un 20 y un 90 % y acortar el ciclo de procesamiento entre 3 y 12 meses. Las aplicaciones típicas incluyen: soportes de antenas de radiofrecuencia satelital, amortiguadores de acoplamiento, diversos componentes de soporte en estaciones espaciales, como soportes de rieles guía, soportes de antenas de medición y control, etc.
Ya sea un proceso de soldadura o un proceso de fusión selectiva por láser, las causas de las grietas en caliente son similares. En ambos casos, los parámetros del proceso inducen tensión térmica, que es un factor clave para provocar grietas. Sin embargo, es difícil controlar el estrés térmico controlando los parámetros del proceso. Para reducir significativamente el estrés térmico, es necesario reducir significativamente el gradiente de temperatura, pero en los procesos de fusión por láser selectivos no es posible lograrlo cambiando los parámetros del proceso o el entorno. Durante el tratamiento térmico, los elementos de aleación utilizados para producir la fase de refuerzo suelen aumentar el rango de temperatura de solidificación, lo que también fue muy desfavorable en estudios anteriores.
En los últimos años, el enfoque de la investigación de la ciencia de los materiales se ha desplazado gradualmente hacia el desarrollo de nuevas aleaciones de alto rendimiento adecuadas para las condiciones únicas del proceso LPBF. Los conceptos de diseño de aleaciones generalmente se basan en altas velocidades de enfriamiento (105-106 K/s) y gradientes de temperatura extremadamente altos (G ~ 106 K/m), que aumentan el límite de solución sólida de la aleación y promueven la formación de fases metaestables. Sin embargo, durante el proceso de impresión 3D, los altos gradientes de temperatura a menudo hacen que la estructura cristalina columnar se alargue a lo largo de la dirección estructural, promoviendo así la aparición de grietas térmicas.
Control de grietas
Ahora se sabe que Scalmalloy tiene propiedades mecánicas y curvas de crecimiento de grietas similares a AA7075-T7351, una aleación de aluminio ampliamente utilizada en aviones convencionales. En este artículo, 3D Science Valley comparará su comportamiento de crecimiento de grietas con la aleación de aluminio AA5754, que se usa ampliamente en barcos, carrocerías de automóviles e infraestructura relacionada con plantas químicas, y AA6061-T6, que se usa ampliamente en aviones ligeros y cuadros de bicicletas. y motores.
Las propiedades mecánicas de las tres aleaciones se comparan en la Tabla 1:
Tabla 1. Comparación del límite elástico, la resistencia máxima y la deformación por falla de Scalmalloy y dos aleaciones de aluminio ampliamente utilizadas. Los valores σy y σult de AA5754 varían según el procedimiento de templado.
Después del tratamiento térmico, Scalmalloy tiene mejores propiedades mecánicas que AA5754 y AA6061-T6 basadas en LPBF de fusión selectiva de metal por láser de capa de polvo. Pero, ¿cómo se compara el rendimiento de crecimiento de grietas de las curvas da/dN y δ K relacionadas con Scalmalloy con AA5754 y AA6061-T6?
Se ha observado que el crecimiento de grietas en Scalmalloy es similar al de la aleación AA7075-T7351. Podemos ver la consistencia de las curvas de grieta larga y "grieta corta" de AA5754. También vemos similitudes entre las curvas R = 0,1 asociadas con Scalmalloy, AA5754 y AA6061-T6.
Figura 1. Curva δ K para R = 0,1 da/dN y Scalmalloy, propagación de grieta corta.
Figura 2. Curva δ k para R = 0,7 da/dN y Scalmalloy.
La Figura 2 muestra las curvas para alta relación R da/dN y δ k para los casos d) a g), donde nuevamente se ve la curva con R = 0,7 con Scalmalloy y con AA5754 y AA6061-T6 correlacionados. Altas relaciones R prueban similitud entre pruebas. Las Figuras 1 y 2 también muestran que las curvas R = 0,1 y 0,7 da/dN y δ k asociadas con AA7050-T7451 también son consistentes con las correspondientes grietas largas asociadas con la propagación de grietas en Scalmalloy. Esto significa que la pequeña curva de grieta asociada con AA7050-T7451 puede verse (aproximadamente) como una extensión de la relación de potencia de da/dN a δ K.
La Figura 3 muestra que las diversas curvas da/dN son muy similares a la curva δκ cuando se consideran diferentes umbrales de fatiga y tenacidad. La Tabla 2 proporciona los valores constantes utilizados en varias pruebas para AA5754 y AA6061-T6 en la Figura 3.
Para ayudar a comparar Scalmalloy con estas diferentes aleaciones de aluminio, la Figura 3 también incluye una línea de tendencia para Scalmalloy.
El crecimiento de las grietas, la grieta de más rápido crecimiento que determina la vida útil de un avión, se puede estimar mediante una ecuación. Se encontró que la curva de crecimiento de grietas de Scalmalloy fabricado aditivamente era similar a la de AA5754 y AA6061-T6, aleaciones de aluminio de uso común reconocidas por tener buenas propiedades de fatiga. Este hallazgo refuerza el potencial de Scalmalloy. En comparación con AA5754 y AA6061-T6, Scalmalloy tiene excelentes propiedades mecánicas y puede usarse para fabricar piezas aditivas para barcos, aviones ligeros y automóviles. Los fabricantes pueden utilizar piezas de repuesto de aleación de aluminio y piezas de aviones militares, así como satélites ligeros y estructuras espaciales. Piezas de aluminio.
Nuevos materiales y tecnologías
Durante mucho tiempo, sólo unas pocas aleaciones de fundición basadas en Al-Si han logrado un procesamiento sin grietas en aleaciones de aluminio impresas en 3D. Para las aleaciones de aluminio forjado con poca soldabilidad, los altos gradientes térmicos promoverán el crecimiento de cristales columnares, lo que provocará grietas en caliente. Por lo tanto, las aplicaciones de fabricación aditiva de las aleaciones de aluminio forjado son muy limitadas.
Según la observación de mercado de 3D Science Valley, esta limitación se está rompiendo. Desde 2019, la comercialización de materiales de impresión 3D de aleación de aluminio de alta resistencia ha abierto una nueva puerta al procesamiento de piezas que debe lograrse mediante la forja. Combinada con la libertad de diseño que ofrece la impresión 3D, la tecnología de fabricación aditiva de aleación de aluminio forjado ganará un enorme espacio de mercado en recipientes a presión, colectores hidráulicos, soportes, piezas estructurales de alta resistencia y otros campos.
Aleación de aluminio YSZ+6061
Actualmente, agregar una cierta cantidad de circonio estabilizado con itrio (YSZ) puede inducir el refinamiento del grano y cambiar la microestructura de la aleación de aluminio 6061 impresa en 3D, eliminando así. grietas térmicas.
Existen dos formas de reducir las grietas en productos de aleación de aluminio forjado procesados mediante procesos de fabricación aditiva. El primer enfoque es controlar el estrés térmico durante el proceso de impresión. El segundo enfoque consiste en mejorar la nucleación heterogénea cambiando la composición de la aleación o añadiendo agentes nucleantes directamente al polvo base.
Agente nucleante de nanopartículas a base de circonio + aleación de aluminio 7075 y 6061
Según la observación del mercado de 3D Science Valley, también existe un material de aleación de aluminio forjado impreso en 3D de alta resistencia que también utiliza A base de circonio añadido El método del agente de nucleación puede lograr el refinamiento del grano y eliminar las grietas. Este material es polvo de aluminio 7A77.60L de alta resistencia desarrollado por HRL Laboratory para impresión 3D y ha sido lanzado oficialmente al mercado. HRL Laboratory selecciona agentes nucleantes de nanopartículas a base de circonio y los combina en polvos de aleación de aluminio de las series 7075 y 6061. El material formado no tiene grietas y es equiaxial (es decir, el largo, ancho y alto de los granos son aproximadamente iguales), logrando una microestructura de grano fino, y la resistencia del material es equivalente a la de los materiales forjados. Este material de aleación de aluminio impreso en 3D tiene un límite elástico promedio de hasta 580 MPa, una resistencia máxima de más de 600 MPa y un alargamiento promedio de más del 8%.
Aleación de aluminio, manganeso, titanio y circonio
En el intercambio anterior de 3D Science Valley, el campo de la investigación científica también propuso una aleación de bajo costo, libre de Sc y ampliamente utilizada, desarrollada especialmente para Proceso LPBF. Aleación Al-Mn-Ti-Zr. Esta aleación está destinada a sustituir al AlSi10Mg y tiene una gama igualmente amplia de aplicaciones. Al utilizar altas tasas de solidificación, una cantidad inusualmente grande de Mn (3,7 ± 0,5 % en peso) se solidifica metaestablemente en la matriz de α-Al, lo que promueve significativamente el endurecimiento de la solución sólida (aproximadamente 104 MPa, 37 % de límite elástico). El límite elástico, la resistencia última a la tracción y el alargamiento a la rotura de la muestra final fueron 284 ± 3 MPa, 320 ± 65438 ± 0 MPa y 65438 ± 0,2%, respectivamente. La nueva aleación tiene una microestructura bimodal que consta de regiones alternas de granos columnares finos equiaxiales y gruesos.
Materiales de referencia:
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