Hintergrund der ForschungGrobe s?ulenf?rmige K?rner und ungleichm??ig verteilte Phasen treten h?ufig beim 3D-Druck von Metallen auf, was zu ungleichm??igen oder sogar schlechten mechanischen Eigenschaften führt. Die Forschung umfasst eine Designstrategie, die einen direkten Ansatz zur Erzielung hoher Festigkeit und gleichm??iger Eigenschaften von Titanlegierungen durch 3D-Druck erm?glicht. Es wurde gezeigt, dass die Zugabe von Molybd?n (Mo) zu der Pulvermetallmischung die Phasenstabilit?t erh?ht und die Gleichm??igkeit der Festigkeit, Duktilit?t und Zugeigenschaften der 3D-gedruckten Legierungen verbessert.

Der Hauptgrund für die ungleichm??igen Eigenschaften von 3D-gedruckten Metalllegierungen sindIn einem Schicht-für-Schicht-3D-Druckverfahren, typischerweise mit 10³-10⁸Die hohe Abkühlungsrate von K/s erzeugt einen erheblichen W?rmegradienten in der N?he des Randes und des Bodens des Schmelzbades, wo das Metallpulver geschmolzen wird. Der thermische Gradient induziert epitaktisches Kornwachstum entlang der Grenzfl?che zwischen dem frisch geschmolzenen Material und dem darunter liegenden festen Material, wobei die K?rner zur Mitte des Schmelzbads hin wachsen. Die Erhitzungs- und partiellen Umschmelzzyklen beim Mehrschichtdruck führen letztendlich zur Bildung gro?er s?ulenf?rmiger K?rner und ungleichm??ig verteilter Phasen, die beide unerwünscht sind, da sie zu Anisotropie und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen k?nnen.

Festigkeit-Duktilit?t verschiedener metallischer Materialien

Titanlegierungen sind eines der am h?ufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Druck. Bei technischen Anwendungen bei Umgebungstemperaturen weisen geeignete Titanlegierungen in der Regel eine Zugdehnung von 10-25 Prozent auf, was für eine gute Materialzuverl?ssigkeit spricht. W?hrend eine h?here Dehnung (Duktilit?t) eine leichtere Verformung erm?glicht und in einigen Anwendungen bevorzugt wird, wird eine h?here Festigkeit in diesem Dehnungsbereich oft bevorzugt, um mechanischen Belastungen standzuhalten. Das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilit?t musste schon immer sowohl bei konventionellen als auch bei additiven Fertigungsverfahren zur Verarbeitung metallischer Werkstoffe berücksichtigt werden.

Strategien und Grenzen zur Verbesserung von Festigkeit und Duktilit?t

Es gibt verschiedene Strategien zur Verbesserung der Festigkeit und Duktilit?t von 3D-gedruckten Legierungen. Dazu geh?ren die Optimierung des Legierungsdesigns, die Prozesssteuerung, die Verst?rkung der feinen Korngrenzen und die Modifizierung des Korngefüges, aber auch die Unterdrückung unerwünschter (spr?der) Phasen, die Einführung zweiter Phasen und die Nachbehandlung. Derzeit konzentriert sich die Forschung zur L?sung der Probleme mit s?ulenf?rmigen Kristallen und unerwünschten Phasen auf die In-situ-Dotierung von Elementen, um die Mikrostruktur und Phasenzusammensetzung zu ver?ndern. Dieser Ansatz f?rdert auch die Bildung isometrischer Kristalle, d.h. von Strukturen mit ann?hernd gleichen Korngr??en entlang der L?ngs- und Querachsen. Die In-situ-Legierung bietet eine vielversprechende M?glichkeit, das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilit?t zu überwinden.Vor allem bei 3D-Drucktechnologien wie der Pulverbettfusion und der gerichteten Energieabscheidung.

Forscher haben die Kornmorphologie und die mechanischen Eigenschaften untersucht, wenn sie verschiedene Elemente zu 3D-gedruckten Legierungen hinzufügen. So führte beispielsweise die Dotierung von nanokeramischen Zirkoniumhydridpartikeln in nicht druckbare Aluminiumlegierungen zu druckbaren und rissfreien Materialien mit einem verfeinerten gleichachsigen Korngefüge und Zugeigenschaften, die mit denen von Knetwerkstoffen vergleichbar sind. Bei Titanlegierungen hingegen haben handelsübliche Kornfeinungsmittel in der Regel nur begrenzte Auswirkungen auf das Korngefüge. Die Verfeinerungsmechanismen von Titanlegierungen, insbesondere der übergang von s?ulenf?rmigem zu isometrischem Gefüge w?hrend der Erstarrung im 3D-Druck, wurden eingehend untersucht, aber die Effizienz bleibt begrenzt. Zu den Versuchen, dieses Hindernis zu überwinden, geh?ren die Variation von Verarbeitungsparametern, hochintensive Ultraschallanwendungen, die Einführung gewünschter heterogener Strukturen durch das Legierungsdesign, die Zugabe von gel?sten Stoffen als Kornverfeinerer an heterogenen Keimbildungsstellen und die Einarbeitung von gel?sten Stoffen mit hoher Unterkühlungskapazit?t. Elemente wie die β-eutektischen Stabilisatorelemente Cu, Fe, Cr, Co und Ni, die die L?slichkeit in Titan begrenzen.

Neue Forschung führt zu wichtigen DurchbrüchenAnstatt β-eutektische Stabilisatorelemente zu verwenden, die zur Bildung spr?der intermetallischer Eutektika in Titanlegierungen führen k?nnen, w?hlten die Forscher für Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr) Mo aus der β-homokristallinen Gruppe [einschlie?lich Niob (Nb), Tantal (Ta) und Vanadium (V)]. W?hrend des In-situ-Legierungsprozesses wird Molybd?n pr?zise in das Schmelzbad transportiert und wirkt als Keimzelle für die Kristallbildung und -verfeinerung w?hrend jeder Abtastschicht. Der Mo-Zusatz f?rdert den übergang von gro?en s?ulenf?rmigen Kristallen zu feinen gleichachsigen und schmalen s?ulenf?rmigen Strukturen. Mo stabilisiert auch die gewünschte β-Phase und hemmt die Bildung von Phasenheterogenit?t w?hrend der thermischen Zyklen.

Charakterisierung der Mo-dotierten Titanlegierung Ti-5553

Die Forscher verglichen die Streckgrenze und Bruchdehnung von Ti-5553+5Mo mit Ti-5553 (sowie Ti-55531 und Ti-55511), das im L-PBF-Zustand und unter W?rmebehandlung nach dem Druck hergestellt wurde. Im Vergleich zu Ti-5553 und ?hnlichen Legierungen im Herstellungszustand zeigt Ti-5553+5Mo eine vergleichbare Streckgrenze, aber eine deutlich verbesserte Duktilit?t. Die W?rmebehandlung nach dem Druck wird üblicherweise eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften des in L-PBF hergestellten Ti-5553 auszugleichen. Obwohl unter bestimmten W?rmebehandlungsbedingungen hohe Streckgrenzen (>1100 MPa) erreicht werden k?nnen, verschlechtert sich die Duktilit?t in der Regel erheblich mit einer Bruchdehnung <10%, was den Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen einschr?nkt. Ti6Al4V, das so genannte Arbeitspferd der Titanindustrie, hat beispielsweise eine empfohlene Mindestbruchdehnung von 101 TP3 T. Im Gegensatz dazu weisen direkt gedruckte Teile aus dem Ti-5553+5Mo-Material, L-PBF, ohne nachgeschaltete W?rmebehandlung ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilit?t auf, wodurch sie sich von ?hnlichen Legierungen abheben. Letztendlich nutzten die Forscher diese Strategie zur Herstellung vonMaterial mit ausgezeichneter Eigenschaftsgleichm??igkeit, Streckgrenze 926MPa, Bruchdehnung 26%.

Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften von Ti-5553 hergestellt durch L-PBF

Mechanische Eigenschaften von Ti-5553 und Ti-5553+5Mo hergestellt durch L-PBF

Die mechanischen Eigenschaften von Ti-5553+5Mo waren au?ergew?hnlich homogen und im Vergleich zu Ti-5553 verbessert. Die mikrofokussierte Computertomographie (micro-CT) zur Beurteilung der Teilequalit?t zeigt, dass beide Materialien eine sehr hohe Dichte aufweisen, mit Gesamtporenvolumenanteilen von 0,004024% bzw. 0,001589%. Solch hohe Dichten deuten darauf hin, dass Porosit?t wahrscheinlich nicht zu den stark dispergierten Zugeigenschaften von Ti-5553 führt, und stehen auch im Einklang mit einem hohen Grad an Einheitlichkeit der mechanischen Eigenschaften von Ti-5553+5Mo. +5Mo hohe Konsistenz der mechanischen Eigenschaften. Um die Auswirkung des Mo-Zusatzes auf die Kornstruktur aufzudecken, führten die Forscher eine Elektronenrückstreuungsbeugung (EBSD) zur Charakterisierung von Ti-5553 und Mo-dotiertem Ti-5553 durch. Die Mikrostruktur von Ti-5553 besteht aus relativ gro?en K?rnern entlang der Abtastrichtung, die ein starkes Kristallgewebe aufweisen. Die Zugabe von 5,0 wt% Mo zu Ti-5553 führt zu signifikanten Ver?nderungen in der Kornstruktur und der damit verbundenen Kristallstruktur. Viele feine gleichachsige K?rner (~20 μm im Durchmesser) sind gut sichtbar und bilden sich entlang der Kanten der Abtastspuren von Ti-5553+5Mo. Im Gegensatz dazu ist die Mikrostruktur von Ti-5553+5Mo durch feine gleichachsige K?rner und schmale s?ulenf?rmige Kristalle entlang der tektonischen Richtung gekennzeichnet. Eine genauere Betrachtung der Mikrostruktur zeigt eine periodische Verteilung feiner s?ulenf?rmiger K?rner. Im Gegensatz zu den stark verwobenen s?ulenf?rmigen Kristallen, die sich über mehrere Schichten in Ti-5553 erstrecken, wird die L?ngenskala der s?ulenf?rmigen Kristalle in Ti-5553+5Mo durch die Gr??e des Schmelzbades bestimmt, und das Kristallgeflecht wird zuf?llig und schwach.

Mikrostrukturelle Charakterisierung von Ti-5553 und Ti-5553+5Mo

Phasenanalyse von Ti-5553 und molybd?ndotiertem Ti-5553

EBSD-Charakterisierung von Proben aus Ti-55535, die gebrochen sindENDE

Die Forscher identifizierten jedoch ungel?ste Molybd?npartikel in der Mikrostruktur, deren m?gliche Auswirkungen unbekannt sind. Das zuf?llige Vorhandensein von ungel?sten Partikeln bei In-situ-Legierungsstrategien wirft in der Tat Bedenken hinsichtlich der mechanischen und korrosiven Eigenschaften auf. Zum Beispiel kann das vollst?ndige Schmelzen der in situ zulegierten Partikel einen h?heren Energieaufwand erfordern, und eine überhitzung kann zu mikrostrukturellen Ver?nderungen und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen. Darüber hinaus sind dynamische Ermüdungs- und Korrosionseigenschaften, die durch ungel?ste Mo-Partikel verursacht werden, unbekannt. Obwohl eine W?rmebehandlung nach dem Druck ungel?ste Partikel entfernen kann, kann sie die Mikrostruktur ver?ndern, was die mechanischen Eigenschaften beeintr?chtigen kann.

Insgesamt er?ffnet die in dieser Science-Studie vorgeschlagene Designstrategie M?glichkeiten für die Erforschung verschiedener Metallpulver-Rohstoffe, verschiedener druckbarer Legierungssysteme, verschiedener 3D-Drucktechniken und des fortgeschrittenen Multimaterialdrucks. Sie verhindert auch die Bildung s?ulenf?rmiger K?rner und beugt unerwünschten Phaseninhomogenit?ten vor. Diese Probleme entstehen durch unterschiedliche thermische Verteilungen, die durch die Druckparameter der einzelnen Pulver beeinflusst werden. Die Strategie überwindet auch das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilit?t im gedruckten Zustand und minimiert die Notwendigkeit von Behandlungen nach dem Druck, Vorteile, die zweifellos zu einem Forschungsboom auf dem Gebiet des 3D-Drucks führen werden.

3D打印新突破！2024年第二篇Science研究！最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

Blaue und grüne Emitter mit hoher Photolumineszenz-Quantenausbeute stehen derzeit an der Spitze der Forschung für Festk?rperbeleuchtung und Farbdisplays. Das Team von Professor Peidong Yang hat blau- und grün-emittierende Materialien mit nahezu gleichm??iger Photolumineszenz-Effizienz durch supramolekulare Anordnung von oktaedrischen Clustern aus Hafnium- und Zirkoniumhalogenid nachgewiesen. Die stark lumineszierenden Halogenid-Chalkogenid-Pulver lassen sich in L?sung hervorragend für Dünnschicht-Displays und selbstleuchtenden 3D-Druck verarbeiten. Die photolumineszierenden Pulver wurden durch Rühren und Beschallen homogen in dem Harz dispergiert. Blaue und grüne Emitter wurden mit Hilfe eines digitalen Multimaterial-Lichtdruckverfahrens zu komplexen Makro- und Mikrostrukturen zusammengesetzt. Das Harz wurde unter Bestrahlung mit strukturellem UV-Licht von 405 nm schnell in feste 3D-Strukturen umgewandelt.

Gedruckte Architekturmodelle des Eiffelturms zeigen ihre jeweiligen blauen und grünen Farben nach 254nm Anregung. Beide Eiffeltürme sind nur wenige Zentimeter voneinander entfernt und weisen hochaufl?sende r?umliche Merkmale auf. Eine Nahaufnahme der Grenze zwischen den blau und grün emittierenden Regionen innerhalb der 3D-gedruckten Oktett-Fachwerkstruktur zeigt ein hohes Ma? an Pr?zision bei den Farbüberg?ngen, ohne Farbüberg?nge auf beiden Seiten. Die Oktett-Fachwerkstruktur mit doppelter Emission erreicht auch eine helle Emission und eine hohe strukturelle Genauigkeit.Die potenziellen Anwendungen für 3D-gedruckte lichtemittierende Strukturen sind weitreichend und entwickeln sich st?ndig weiter. Sie reichen von komplexen Beleuchtungsl?sungen für Innenr?ume bis hin zur nahtlosen Integration in tragbare Ger?te.

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Insbesondere durch die pr?zise Zuführung von Molybd?n in den Schmelzpool kann Molybd?n als Keimzelle für die Kristallbildung und -verfeinerung w?hrend jeder Abtastschicht fungieren und den übergang von gro?en s?ulenf?rmigen Kristallen zu feinen gleichachsigen und schmalen s?ulenf?rmigen Kristallstrukturen erleichtern. Molybd?n stabilisiert auch die gewünschte β-Phase und hemmt die Bildung von Phasenheterogenit?t w?hrend der thermischen Wechselbeanspruchung, wodurch nicht nur die Festigkeit der 3D-gedruckten Titanlegierungen erh?ht, sondern auch ein perfektes Gleichgewicht von Duktilit?t und Zugeigenschaften erreicht wird.

W?hrend TC4, das sogenannte Arbeitspferd der Titanindustrie, eine empfohlene Mindestbruchdehnung von 101 TP3T aufweist, hat das durch diesen 3D-Druck hergestellte Titan 5553 mit einer Streckgrenze von 926 MPa und einer Bruchdehnung von 261 TP3T ein gro?es Anwendungspotenzial. Es ist zu erwarten, dass die Methode auch auf andere Metallpulvermischungen angewendet und an verschiedene Legierungen mit verbesserten Eigenschaften angepasst werden kann.

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Der Artikel argumentiert, dass die zugrundeliegenden 3D-gedruckten Mikrostrukturen von Natur aus eine hohe Ermüdungsbest?ndigkeit aufweisen und dass die Verschlechterung dieser Eigenschaft durch das Vorhandensein von Mikroporen verursacht werden kann. Herk?mmliche Bemühungen, Mikroporen zu beseitigen, führen h?ufig zu einer Vergr?berung des Gewebes, w?hrend der Prozess der Geweberefinition das erneute Auftreten von Porosit?t mit sich bringt und sogar neue Nachteile wie die Anreicherung von α-Phasen an den Korngrenzen ausl?st, was das Dilemma der Mikrostruktur sowohl bei ein- als auch bei ausgehenden Bemühungen erschwert.
Im Laufe ihrer Forschung zur W?rmebehandlung entdeckte das CAS-Team ein wichtiges Prozessfenster nach der Behandlung, in dem die Phasenumwandlung und das Kornwachstum von 3D-gedruckten Titanlegierungen bei hohen Temperaturen asynchron verlaufen. Bei ausreichender überhitzung findet der α-zu-β-Phasenübergang sofort statt, und obwohl die β-Phasenwachstumstemperatur erreicht ist, ben?tigen die Korngrenzen eine Reifezeit, um sich neu zu ordnen. Unter Ausnutzung dieses wertvollen W?rmebehandlungsfensters haben die Forscher eine W?rmebehandlungsmethode identifiziert, die hei?es isostatisches Pressen mit einer Hochtemperatur-Kurzzeitbehandlung kombiniert, die sowohl eine Verfeinerung des Gewebes erreicht als auch eine Anreicherung der α-Phase und das erneute Auftreten von Mikroporen verhindert und letztendlich nahezu mikropor?se 3D-gedruckte Titanlegierungen im nahezu gedruckten Zustand herstellt.

TC4-Titanlegierungen mit dieser Mikrostruktur erreichen eine hohe Ermüdungsgrenze von etwa 1 GPa und übertreffen damit die Ermüdungsfestigkeit aller derzeitigen additiv gefertigten und gekneteten Titanlegierungen sowie anderer metallischer Werkstoffe.

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Partikel im Nano- bis Mikroma?stab haben ein breites Anwendungsspektrum in biomedizinischen Ger?ten, bei der Verabreichung von Medikamenten und Impfstoffen, in der Mikrofluidik und in Energiespeichersystemen. Herk?mmliche Herstellungsmethoden erfordern jedoch ein Gleichgewicht zwischen verschiedenen Faktoren wie Herstellungsgeschwindigkeit und Skalierbarkeit, Partikelform und -gleichf?rmigkeit sowie Partikeleigenschaften.
Forscher an der Stanford University haben ein skalierbares, hochaufl?sendes r2r CLIP 3D-Druckverfahren entwickelt, das Optiken mit einer Aufl?sung im einstelligen Mikrometerbereich und einen kontinuierlichen Film verwendet, um eine schnelle, variable Herstellung und Ernte von Partikeln mit einer breiten Palette von Materialien und komplexen Geometrien zu erm?glichen. Mit dieser Technologie k?nnen Forscher den 3D-Druck mit einer Pr?zision im Mikrometerbereich durchführen und gleichzeitig hohe Produktionsgeschwindigkeiten und Flexibilit?t bei der Materialauswahl beibehalten, wodurch sich neue M?glichkeiten für die Partikelherstellung er?ffnen.

Diese skalierbare Technologie zur Herstellung von Partikeln hat sich bew?hrt beiHerstellungspotenzial in einer Vielzahl von Bereichen von Keramik bis zu HydrogelverteilernDie Studie wurde unter dem Titel "Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles" ver?ffentlicht und hat potenzielle Anwendungen in den Bereichen Mikrowerkzeugbau, Elektronik und Medikamentenverabreichung. Die Studie wurde unter dem Titel "Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles" ver?ffentlicht.

Quelle: AMReference

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