Naukowcy wykorzystali zaawansowane źródło fotonów, aby pomóc w stworzeniu stali nierdzewnej o pH 17-4, trwałego metalu o wielu zastosowaniach przemysłowych.
Trwałość jest krytyczną właściwością materiałów używanych do produkcji maszyn przemysłowych, statków morskich, samolotów i urządzeń medycznych. W tych zastosowaniach producenci polegają na określonym rodzaju stali nierdzewnej znanej jako 17-4 PH ze względu na jej silne właściwości odporne na korozję. Teraz, po raz pierwszy, naukowcy znaleźli sposób na konsekwentne wytwarzanie stali 17-4 PH przy użyciu metod drukowania 3D, przy jednoczesnym zachowaniu wszystkich właściwości materiału o wysokiej wartości.
Aby osiągnąć ten przełom, naukowcy zwrócili się do Advanced Photon Source (APS), obiektu użytkownika Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) w Biurze Naukowym Narodowego Laboratorium DOE w Argonne. Wykorzystując technikę zwaną dyfrakcją rentgenowską, naukowcy z Argonne, Narodowego Instytutu Standardów i Technologii Departamentu Handlu Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytetu Wisconsin-Madison byli w stanie zbadać subtelne, szybkie zmiany w materiale, takim jak stal. w trakcie drukowania. To pozwoliło im monitorować i kierować formowaniem się jego struktury oraz określać jego działanie.
Celem tych badań jest pomoc producentom w wykorzystaniu druku 3D w celu obniżenia kosztów i zwiększenia elastyczności w porównaniu z tradycyjnymi metodami formowania. Toruje również drogę do drukowania 3D innych wysokowydajnych stopów, takich jak stopy tytanu i superstopy na bazie niklu.
„APS odegrał ważną rolę, pozwalając nam zobaczyć metamorficzne zachowanie materiałów, nawet w warunkach szybkiego chłodzenia”. Lianyi Chen z Uniwersytetu Wisconsin-Madison
Druk 3D, znany również jako produkcja addytywna, polega na konstruowaniu obiektu 3D z modelu cyfrowego. Produkcja stali i innych stopów metali w ten sposób zawsze stanowiła wyzwanie. Podczas procesu drukowania temperatury szybko się zmieniają, co utrudnia obserwację struktury krystalicznej atomów w materiale. Podczas drukowania 3D stali 17-4 PH struktura krystaliczna musi mieć dokładny skład. Wartość pH wskazuje utwardzanie wydzieleniowe, technikę obróbki cieplnej stosowaną do wzmacniania materiałów ciągliwych, a liczby odnoszą się do składu stopu: 17% chromu i 4% niklu. Struktura stali 17-4 PH zawiera nanocząsteczki, które przyczyniają się do charakterystycznej wytrzymałości materiału.
„Kiedy materiał stygnie bardzo szybko podczas drukowania 3D w sposób, w jaki robi to stal 17-4 PH, wcześniej producenci starali się bardzo dobrze to zrozumieć i nie mogli przewidzieć, co otrzymają” – powiedział Lianyi Chen, adiunkt w inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, który był częścią zespołu badawczego. „APS odegrał ważną rolę, ponieważ pozwolił nam zobaczyć zachowanie materiałów podczas transformacji, nawet w tak gwałtownych warunkach chłodzenia. Możemy teraz monitorować w czasie rzeczywistym, aby zobaczyć zmianę struktury.”
Używając wysokoenergetycznych wiązek rentgenowskich wytwarzanych przez APS, „możemy teraz rzeczywiście zajrzeć do wnętrza metalu, aby obserwować sekwencję tworzenia się faz”. , fizyk z Wydziału Nauk Rentgenowskich w Argonne.
Ponieważ zmiany na poziomie atomowym podczas drukowania 3D zachodzą tak szybko, naukowcy potrzebowali równie szybkiej techniki badawczej. „Możemy monitorować ewolucję mikrostruktury w czasie rzeczywistym dzięki wysokiej jasności APS” – powiedział Peter Kinessy, fizyk z Wydziału Nauk Rentgenowskich w Argonne. „Naukowiec może szybko podjąć decyzje o dostosowaniu parametrów druku w celu uzyskania pożądanej mikrostruktury.”
Naukowcy są przekonani, że ich odkrycia pokazują, w jaki sposób urządzenia użytkownika, takie jak APS, mogą umożliwić Stanom Zjednoczonym uzyskanie przewagi konkurencyjnej w kierowaniu następną generacją zaawansowanych technologii produkcyjnych.
„Mamy nadzieję, że nasz sukces w tym badaniu pomoże zwiększyć wpływ badań prowadzonych w amerykańskich obiektach użytkowników synchrotronów, takich jak APS, na przemysł”, powiedział naukowiec Fan Zang, fizyk z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST). „Jeśli mamy umocnić wiodącą pozycję Ameryki w zaawansowanej produkcji, te obiekty są wielkim atutem. Wytwarzanie addytywne otwiera przestrzeń projektową, pozwalając nam tworzyć złożone części, często niemożliwe przy użyciu tradycyjnych technologii. To jest prawdziwa obietnica tego przełomu.”
W czasopiśmie opublikowano artykuł oparty na badaniu produkcja dodatkowa.
Informacje o zaawansowanym źródle fotonów
Zaawansowane źródło fotonów (APS) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Argonne National Laboratory to jedno z najbardziej wydajnych źródeł promieniowania rentgenowskiego na świecie. APS zapewnia promieniowanie rentgenowskie o wysokiej jasności zróżnicowanej społeczności badaczy z dziedziny materiałoznawstwa, chemii, fizyki materii skondensowanej, nauk przyrodniczych i środowiskowych oraz badań stosowanych. Te promienie rentgenowskie idealnie nadają się do badania materiałów i struktur biologicznych; elementarny rozkład stanów chemicznych, magnetycznych i elektronowych; oraz szeroką gamę ważnych technologicznie systemów inżynieryjnych, od akumulatorów po aerozole wtryskiwaczy paliwa, z których wszystkie są podstawą ekonomicznego, technologicznego i materialnego dobrobytu naszego narodu. Każdego roku ponad 5000 naukowców wykorzystuje APS do tworzenia ponad 2000 publikacji opisujących wpływowe odkrycia i rozwiązywania bardziej krytycznych biosyntez białek niż użytkownicy jakiegokolwiek innego ośrodka badawczego zajmującego się źródłami światła rentgenowskiego. Naukowcy i inżynierowie APS tworzą technologię, która jest sercem napędzania akceleratorów i źródeł światła. Obejmuje to urządzenia wejściowe, które wytwarzają niezwykle jasne promienie rentgenowskie, które doceniają naukowcy, soczewki skupiające promienie rentgenowskie do kilku nanometrów, urządzenia zwiększające interakcję promieni rentgenowskich z badanymi próbkami oraz oprogramowanie gromadzące i zarządzające ogromną ilością danych generowanych przez badania odkrywcze w APS.
W badaniach wykorzystano zasoby Advanced Photon Source, urządzenia użytkownika Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych obsługiwanego przez Biuro Naukowe Departamentu Energii przez Narodowe Laboratorium Argonne pod numerem kontraktu DE-AC02-06CH11357.
Narodowe Laboratorium Argonne Stara się znaleźć rozwiązania palących problemów krajowych w nauce i technologii. Argonne, pierwsze krajowe laboratorium w kraju, prowadzi przełomowe badania w zakresie nauk podstawowych i stosowanych w prawie każdej dyscyplinie naukowej. Badacze Argonne ściśle współpracują z naukowcami z setek firm, uniwersytetów oraz agencji federalnych, stanowych i miejskich, aby pomóc im rozwiązać ich specyficzne problemy, rozwinąć amerykańskie przywództwo naukowe i przygotować naród na lepszą przyszłość. Argonne jest zarządzana przez pracowników z ponad 60 krajów UChicago Argonne, LLC Do Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych Jest największym zwolennikiem badań podstawowych w dziedzinie nauk fizycznych w Stanach Zjednoczonych i zajmuje się niektórymi z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. po więcej informacji odwiedź https://energy.gov/science.
Zastrzeżenie: AAAS i EurekAlert! Nie ponosi odpowiedzialności za poprawność newsletterów wysyłanych na EurekAlert! Za pośrednictwem organizacji wnoszących wkład lub za korzystanie z jakichkolwiek informacji za pośrednictwem systemu EurekAlert.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
