Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response

Stel je een wereld voor waarin we enorme, complexe metalen objecten kunnen bouwen, niet door ze uit een groot blok te snijden of vloeibaar metaal in een mal te gieten, maar door ze laag voor laag te "printen", zoals een 3D-printer voor zware machines. Dit is het domein van Additive Manufacturing (additieve productie). Terwijl sommige 3D-printers lasers gebruiken om minuscule metalen poeders te smelten, gebruiken anderen een gigantische, robotische lasbrander om een draad te smelten terwijl deze wordt neergelegd. Deze specifieke methode wordt Wire Arc Directed Energy Deposition (WA-DED) genoemd. Denk aan een zeer precieze, supersnelle lijmpistool, maar in plaats van lijm spuit hij gesmolten staal uit.

Het materiaal in kwestie is een speciaal soort staal genaamd "maraging staal". De naam klinkt als een mix van "mar" (voor martensiet, een supersterke kristalstructuur) en "age" (omdat het nog sterker wordt wanneer je het verhit en laat rusten, een proces dat veroudering of 'aging' wordt genoemd). Het is het soort metaal dat wordt gebruikt voor raketonderdelen en hoogwaardige gereedschappen omdat het ongelooflijk taai en sterk is. Het printen van dit specifieke type staal met een lasbrander is echter lastig. Als de "lijmpistool" wiebelt of de hitte niet goed is, kan het metaal zwak worden of vol gaten zitten. Wetenschappers hebben geprobeerd uit te vogelen wat het perfecte recept is van snelheid, hitte en draadsnelheid om dit proces betrouwbaar te laten verlopen. Dit was de puzzel die de onderzoekers probeerden op te lossen.

De Grote Metaalprint-Puzzel

In dit onderzoek besloten een team van onderzoekers uit Portugal het metaalprintproces te behandelen als een gigantisch wetenschappelijk experiment. Ze wilden de "Goldilocks"-instellingen vinden voor het printen van 18Ni-350 maraging staal met een draadgevoede lasbrander. Hun doel was niet alleen om een blok metaal te maken; ze wilden een blok maken dat sterk, taai en vrij van defecten was, en vervolgens zien wat er gebeurde wanneer ze het een speciale warmtebehandeling gaven.

Het vinden van het perfecte recept
Het team begon door te spelen met drie belangrijke knoppen op hun machine: hoe snel de brander bewoog (Travel Speed/snelheid van de verplaatsing), hoe snel de draad in de vlam werd gevoerd (Wire Feed Speed/draadsnelheid) en hoeveel elektrische kracht er werd gebruikt (Voltage/spanning). Ze gebruikten een slim statistisch proces genaamd "Design of Experiments" om tientallen combinaties te testen zonder maanden tijd te verspillen.

Ze maten "arc stability" (boogstabiliteit), wat in essentie is hoe stabiel de lasvlam is. Stel je voor dat je een rechte lijn probeert te tekenen met een pen die steeds trilt; dat is een instabiele boog. Als de pen stabiel is, krijg je een vloeiende lijn. De onderzoekers ontdekten dat de Voltage en de Wire Feed Speed de belangrijkste ingrediënten waren. De snelheid van de brander deed er minder toe.

Door de cijfers te analyseren, ontdekten ze de perfecte instelling om de vlam stabiel te houden:

• Travel Speed: 481 mm/min
• Wire Feed Speed: 5.9 m/min
• Voltage: 23.4 V

Bij deze instellingen voorspelden ze dat de boog ongeveer 96,3% van de tijd stabiel zou zijn. Het is als het vinden van de exacte druk om een tube tandpasta uit te knijpen, zodat de pasta in een perfecte, constante stroom naar buiten komt zonder te spatten.

Het bouwen van de muren
Zodra ze hun perfecte recept hadden, bouwden ze twee soorten metalen muren. Eerst maakten ze dunne, enkelvoudige wanden om te testen hoe sterk het metaal was wanneer eraan getrokken werd (treksterkte). Daarna bouwden ze een veel dikkere wand door vier metalen banen per laag neer te leggen, zoals het stapelen van bakstenen met een kleine overlap, om te zien hoe het metaal zich gedraagt in een meer realistische, robuuste vorm.

De resultaten: Sterker en Taaier
Toen ze de dunne wanden testten, waren de resultaten indrukwekkend.

• Vóór warmtebehandeling (As-Built): Het metaal was al behoorlijk sterk, met een treksterkte (Ultimate Tensile Strength) van 1253 MPa tot 1366 MPa, afhankelijk van de richting waarin er getrokken werd.
• Na warmtebehandeling (Aged): Ze verhitten het metaal tot 480 °C gedurende 5 uur en lieten het afkoelen. Dit is het "verouderings"-gedeelte. Plotseling werd het metaal nog sterker, bereikend van 1613 MPa tot 1687 MPa. Nog beter: het werd ook rekbaarder (de rek/elongation ging van ongeveer 6% naar 8,5–10,2%).

Normaal gesproken, wanneer metaal sterker wordt, wordt het ook brosser (zoals een droog takje dat afbreekt). Maar hier werd het metaal zowel sterker áls flexibeler. De onderzoekers denken dat dit komt doordat de warmtebehandeling de kleine imperfecties die door het printproces zijn achtergelaten, heeft gladgestreken.

De verrassing van de dikke wand
Toen ze naar de dikke, meerlaagse wand keken, ontdekten ze iets interessants over de hardheid ervan.

• Vóór warmtebehandeling: Het was al behoorlijk hard met 508 HV1.0.
• Na warmtebehandeling: Het werd nog harder, bereikend van 625 HV1.0.

Het feit dat het "as-built" metaal al zo hard was, suggereert dat het proces van het bouwen van de dikke wand zelf als een soort mini-warmtebehandeling fungeerde. Terwijl elke nieuwe laag heet metaal werd toegevoegd, verhitte dit de onderliggende lagen lichtjes, waardoor ze werden getemperd voordat de uiteindelijke ovenbehandeling plaatsvond.

De taaiheidstest
Ten slotte testten ze hoeveel energie het metaal kon absorberen voordat het brak (slagvastheid/impact toughness) met behulp van een zwaaiende hamer test (Charpy V-notch).

• As-Built: 438 ± 2 J
• Aged: 440 ± 3 J

Hier zit de wending: de warmtebehandeling maakte het metaal harder en sterker, maar het veranderde niets aan de hoeveelheid energie die het kon absorberen. De taaiheid bleef exact hetzelfde. De onderzoekers verklaren dat de kenmerken die bepalen hoe het metaal breekt, al tijdens het printproces zelf zijn vastgelegd, en niet tijdens de uiteindelijke verhitting. Het is alsof de "taaiheid" van een chocoladereep wordt bepaald door hoe je de ingrediënten mengt, en niet door hoe je de reep later in een papiertje wikkelt.

Wat nu?
De studie concludeert dat deze methode een levensvatbare manier is om grote, sterke en taaie onderdelen te maken van 18Ni-350 maraging staal. Ze hebben een "sweet spot" gevonden voor de machine-instellingen die goed werkt voor de "kortsluitingsmodus" van het lassen. Ze merken echter op dat deze "sweet spot" zich net op de rand van de instellingen die ze hebben getest. Om een werkelijk perfect globaal optimum te vinden, zouden ze zelfs bredere bereiken van instellingen moeten testen. Ze suggeren ook dat toekomstig werk dieper moet kijken naar de microscopische kristallen in het metaal en moet onderzoeken of een andere soort warmtebehandeling vóór de uiteindelijke veroudering de onderdelen nog beter kan maken.

Kortom, deze onderzoekers hebben ontdekt hoe je een gigantische metaal-3D-printer kunt afstemmen om een supersterk staal te maken dat nog beter wordt na een warm bad, waarmee ze bewijzen dat je complexe, hoogwaardige onderdelen kunt printen zonder een miljoenen dure laser machine nodig te hebben.