Ocelové díly vyráběné aditivní technologií ukazují nové možnosti
Zlepšení pevnosti kovů a slitin obvykle probíhá za cenu snížené tvárnosti. Ale nyní mezinárodní tým výzkumníků našel způsob, jak překonat kompromis mezi pevností a tvárností pro nerezovou ocel. V článku publikovaném na serveru Materials Today jsou prezentovány nové poznatky vědců, které mění pohled na dosavadní postoj ohledně kovového 3D tisku.
Díky schopnosti převést digitální modely přímo do 3D objektů je 3D tisk považován za technologii, která může potenciálně změnit způsob výroby. Umožňuje rychle vytvářet objekty s komplexními a přizpůsobenými geometriemi. Se zrychlujícím se rozvojem této technologie postupuje zejména kovový 3D tisk k rozsáhlé průmyslové aplikaci. Navzdory perspektivní budoucnosti kovového 3D tisku byla často s nedůvěrou a pochybnostmi přijímána kvalita vytvořených výrobků, protože ve většině těchto procesů se výrobky vyrábějí z kovových prášků, což je může činit náchylnými k vadám, jejichž důsledkem může být zhoršení mechanických vlastností.
Tento problém nedávno řešil společný výzkumný tým ze Stockholmské univerzity, čínské Univerzity Zhejiang a Birminghamské univerzity. Vědci objevili, že díky optimalizaci parametrů procesu při 3D tisku může široce používaná nerezová ocel překvapivě dosáhnout výjimečných kombinací pevnosti a tvárnosti ve srovnání s protějšky z běžných procesů. Výsledky jejich práce ukazují, že na rozdíl od skeptického pohledu může být 3D tisk naopak technikou, která činí kovy silnější a současně i více tvárné. Tento objev je zásadní pro posun technologií k výrobě těžkých dílů, kde lze nalézt vysokou přidanou hodnotu.
Překvapení: mimořádně silný a tvárný kov
Selektivní laserové tavení (SLM), další typ 3D tisku, využívá ke spojování vrstev nanášených kovových částic vysoce energetický laser. Postupy ukládání a ladění se opakují, aby se vytvořily trojrozměrné komponenty. K jejich překvapení však SLM vyrábí kovové součásti s úplně jinými mikrostrukturami než ty, které se nacházejí v lité nebo tvářené oceli. Tým zaznamenal jedinečnou dislokační síť připomínající nepravidelný vzorec voštiny ve vzorcích nerezové oceli SLM-316L. Dislokace jsou soustředěny ve „stěnách" sloupcovitých buněk o Ø 500 nm a rozsahu v délce do desítek mikronů.
Díky optimalizaci parametrů procesu při 3D tisku může široce používaná nerezová ocel dosáhnout výjimečných kombinací pevnosti a tvárnosti ve srovnání s protějšky z běžných procesů. „Zjistili jsme, že struktura dislokační sítě je zcela jedinečná - odlišná od buněk dislokace pozorovaných u deformovaných kovů," říká Leifeng Liu, jeden z autorů studie.
Vlastnosti většiny kovů jsou určovány jejich plastickým deformačním chováním. To naopak závisí na pohybu dislokací uvnitř mikrostruktury kovu. Obvykle jsou kovy posíleny zavedením prvků, které přerušují pohyb dislokací strukturou - jako jsou různé fáze, hranice zrn nebo jiné interní rozhraní. Jak ale ukázaly experimenty, v nerezové oceli SLM-316L se síťová struktura netradičně změní. Vědci se domnívají, že neobvyklá dislokační sítí, která je základem mechanických vlastností kovu a jež byla zjištěna také v jednosměrných a dvourozměrných strukturách, je výsledkem vysokých teplotních gradientů a rychlostí růstu, které vznikají během SLM.
„Tato neobvyklá sítová struktura reguluje pohyb dalších dislokací, čímž brzdí pohyb dislokace na začátku, aby se ocel zpevnila. Pak, když stres stoupá, dislokaci zpomaluje a zároveň umožňuje dislokace procházet, což stabilizuje plastickou deformaci a zvyšuje tažnost," vysvětluje Leifeng Liu.
Kombinace pak vytváří impozantní výsledky: mez pevnosti v tahu nerezové oceli SLM-316L přesahuje dvojnásobek pevnosti v ocelovém tvaru, přičemž kompresní zkoušky vykazují podobný trend. Prodloužení (nebo tažnost) se současně zlepšuje.
„Mysleli jsme, že hlavní výhodou aditivní metody je schopnost vyrábět díly s komplikovanými tvary. Nyní si ale myslíme, že může být použita jako nástroj pro návrh materiálů tím, že řídí mikrostrukturu, aby dosáhla určitých mechanických vlastností," říká čínský vědec.
Výroba opravdu nové generace
Technika 3D tisku je známa tím, že umožňuje vytvářet objekty s dříve nedosažitelnými tvary. Ukazuje se ale, že může mít i jinou funkci. Pevnost a tvárnost jsou přirozenými protiklady a většina metod vyvinutých k posílení kovů následně snižuje tažnost. Nově publikovaná práce však ukazuje, že aditivní výroba nabízí i možnost výroby strukturních slitin nové generace s významným zlepšením jak v pevnosti, tak i tažnosti. Důvodem je velmi vysoká rychlost ochlazování, která se pohybuje v rozmezí od 1000 °C/s až do sto milionů °C/s. Toto nebylo v procesu výroby hromadných kovů až do vzniku 3D tisku nikdy možné. Kovy se tak rychle zchladily, což vedlo k tzv. nerovnovážnému stavu, tudíž k některým pozoruhodným mikrostrukturám, jako je síť dislokace sub-mikro velikosti, která je pokládána za hlavní důvod zlepšených mechanických vlastností.
Tato práce dává výzkumníkům nástroj pro navrhování nových slitinových systémů s ultramechanickými vlastnostmi. Pomáhá také kovovému 3D tisku, aby se prosadil tam, kde jsou vyžadovány vysoké mechanické parametry, jako jsou např. konstrukční díly v leteckém a automobilovém průmyslu.
Schopnost vyrábět složité kovové součásti s přizpůsobitelnými mechanickými vlastnostmi, které nelze dosáhnout konvenčními způsoby, tak může učinit z aditivní výroby novou přelomovou technologii pro mnoho různých odvětví.
/ll/
335
