Multi-materiaal additief vervaardigen van functionele gradiënt materialen

Selectief Laser Smelten (SLM) is een poederbed gebaseerd additief vervaardigingsproces waarbij een object wordt gebouwd door een fijn poeder selectief te smelten door middel van een hoog vermogen laser op een laagsgewijze manier. Het heeft het voordeel dat complex gevormde onderdelen met een hoge dichtheid vervaardigd kunnen worden. Met het oog op kruiscontaminatie van poeder, de commerciële SLM produceert meestal componenten uit één materiaal in een productierun. Recent hebben onderzoekers geprobeerd om onderdelen uit meerdere materialen te vervaardigen via gemodificeerde SLM-methodes. Tot heden bestaan er echter nog geen commercieel succesvolle multi-materiaal producten die vervaardigd zijn door de gemodificeerde SLM-faciliteiten. Het vereist dus niet enkel modificatie van machine, maar ook de know-how om ongelijke metalen stevig te verbinden onder laserstraalconditie.

Het proefschrift heeft tot doel het gedrag van grensvlakken of ‘interfaces’ te begrijpen bij het vervaardigen van multi-materialen met behulp van SLM. Om dit te bereiken, werden vier multi-materiaalcombinaties vervaardigd via commerciële SLM, verdeeld in drie delen op basis van verschillende basismetalen 316L, Ti-6Al-4V en AlSi7Mg. Het eerste deel analyseerde de invloed van SLM-verwerkingsparameters op het produceren van de interface van 316L/Hastelloy X. In het tweede deel werden de interfaces vergeleken die het resultaat waren van het toevoegen van bijna-α titaniumlegering (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) en γ-TiAl (Ti-48Al-2Cr-2Nb) bovenop Ti-6Al-4V, respectievelijk. Aangezien Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo een volledig nieuw materiaal is voor SLM, werden de verwerkbaarheid en de nabehandeling van de legering ook onderzocht in deel 2. Het derde deel bestudeerde de interface gevormd door SLM door toevoeging van A357 (AlSi7Mg0.5) bovenop gegoten A356 (AlSi7Mg0.3). Aangezien het zeer ruwe gietoppervlak de groei van A357 kan verslechteren, werden verschillende oppervlaktebehandelingen vergeleken om een sterk grensvlak te produceren. Vervolgens werden deze met SLM gebouwde multi-materialen gekarakteriseerd om de korrelgroei en materiaalmenging in het grensgebied te begrijpen. Mechanische testen van de multi-materialen werden ook uitgevoerd om de betrouwbaarheid van ongelijke verbindingen te verifiëren.

Het onderzoek op 316L/Hastelloy X multi-materiaal toonde aan dat de SLM-parameter, met name de laser energiedichtheid, een cruciale rol speelt bij het vormen van een stevige verbinding. Na productie met optimale parameters vertoonde het bimetaal epitaxiale korrelgroei van 316L tot Hastelloy X, zonder schadelijke defecten aan het grensvlak. De daaropvolgende trektesten bevestigden ook een robuuste hechting tussen 316L en Hastelloy X.

Door de twee titanium gebaseerde bimetalen te vergelijken in termen van hun SLM-verwerkbaarheid en grensvlakvorming, werd vastgesteld dat Ti-6Al-4V/γ-TiAl een veel breder grensvlak vertoonde dan Ti-6Al-4V/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, ondanks de vergelijkbare verwerkingsparameters. Het verschil in de grensvlakbreedte komt doordat de chemische samenstelling van Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo veel dichter bij Ti-6Al-4V ligt dan die van γ-TiAl waardoor er minder convectie nodig is voor materiaalwisseling en dus een smallere interfacezone produceert. De hoge broosheid van γ-TiAl leidde tot mislukte productie van Ti-6Al-4V/γ-TiAl onder de snel afkoelende SLM (zonder voorverwarming van de basisplaat). Ter vergelijking: Ti-6Al-4V/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo werd met succes gebouwd onder de geoptimaliseerde omstandigheden. De succesvolle productie van Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo verbreedt ook het materiaalpalet van SLM.

Laserhersmelten in de SLM-machine, in plaats van de verwachte wire electrical discharge machining (W-EDM), wordt beschouwd als de optimale behandeling om het oorspronkelijke gietoppervlak te verbeteren. De groei van SLM A357 op het opnieuw gesmolten oppervlak leidde tot een defectvrije en goed gebouwde grensoppervlak. Laserhersmelten zal ook geen extra kosten met zich meebrengen voor toekomstige industrialisatie. Ter vergelijking: hoewel EDM optimaliteit vertoonde in het verminderen van de oppervlakteruwheid, werd er tegelijkertijd massief Al2O3 geïnduceerd door elektrische vonk. Het aluminiumoxide werd gevormd in grote clusters, wat de bevochtigbaarheid van het EDM-oppervlak verminderde om SLM A357 te laten groeien en als gevolg daarvan delaminatie veroorzaakte aan het grensoppervlak.

De gevestigde inzichten over grensoppervlak-vorming onder de SLM-verwerking zouden de ontwikkeling van multi-materialen SLM-technologieën kunnen bevorderen. De succesvolle multi-materialen kunnen mogelijk ook hun toepassing vinden in de chemische (316L/Hastelloy X), de ruimtevaart (Ti-6Al-4V/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) en de automobiele- (gegoten A356/SLM A357) industrie.