Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

In de zoektocht naar lichtere, sterkere machines richten ingenieurs zich vaak op aluminium. Het is een metaal dat ongeveer een derde van het gewicht van ijzer heeft, maar toch de sterkte en weerstand tegen roest bezit die nodig zijn voor veeleisende taken in de luchtvaart en defensie. Het omzetten van dit metaal in complexe, op maat gemaakte onderdelen is echter moeilijk. Traditionele methoden zoals gieten of verspanen kunnen verspillend zijn of beperkt zijn in de vormen die ze kunnen creëren. Een nieuwere aanpak, bekend als additieve fabricage, bouwt objecten laag voor laag op, vergelijkbaar met een 3D-printer, maar op een veel grotere schaal. Hoewel deze technologie veel belofte biedt, staat ze voor een aanzienlijke hindernis: de intense hitte die wordt gebruikt om de metaaldraad te smelten, kan ervoor zorgen dat het materiaal ongelijkmatig afkoelt. Deze ongelijkmatige afkoeling leidt vaak tot grote, zwakke kristalstructuren en kleine interne gaatjes, wat de uiteindelijke onderdelen gevoelig kan maken voor scheuren of breken onder spanning. Voor een specifiek type aluminiumlegering die wordt gebruikt in kritieke toepassingen, bekend als de 2319-serie, zijn deze defecten bijzonder problematisch en beperken ze hoe goed het metaal presteert onder reële omstandigheden.

Om dit op te lossen, ontwikkelden onderzoekers van de Dalian University of Technology en Huaqiao University een nieuwe methode die twee verschillende processen combineert: een hybride warmtebron en een mechanische druk. Ze gebruikten een techniek genaand laser-geïnduceerde boog-additieve fabricage, waarbij aluminiumdraad wordt gesmolten door een combinatie van een elektrische boog en een lage-vermogen laser. Deze hybride aanpak helpt een stabielere smelt te creëren dan wanneer alleen een elektrische boog wordt gebruikt. Maar de ware innovatie ligt in wat er onmiddellijk na de depositie van elke laag gebeurt. In plaats van het hete metaal natuurlijk te laten afkoelen, liet het team een zware wals over de verse laag lopen terwijl deze nog warm was. Dit proces, bekend als micro-walsen, vlakt het oppervlak af en oefent druk uit op het metaal. De onderzoekers wilden zien of deze eenvoudige handeling van het walsen de interne gebreken veroorzaakt door de hitte kon herstellen en de sterkte van het uiteindelijke aluminiumonderdeel kon verbeteren.

Het team maakte testblokken met de 2319 aluminiumlegering-draad, waarbij monsters werden gemaakt met en zonder de walsstap. Vervolgens onderzochten ze deze blokken nauwkeurig om te zien wat er binnenin het metaal gebeurde. Zonder het walsen koelde het metaal af tot een structuur die werd gedomineerd door lange, kolomvormige kristallen die omhoog groeiden, vergelijklijk met hoe ijskristallen in een vriezer kunnen ontstaan. Deze lange kristallen, samen met een netwerk van brosse, webachtige patronen gevormd door de menging van koper en aluminium, creëerden zwakke punten in het materiaal. Het oppervlak van deze niet-gewalste monsters was ook ongelijkmatig, met kleine deukjes en rimpelingen achtergelaten door de lasboog. Wanneer de onderzoekers het walsproces toepasten, veranderden de resultaten drastisch. De druk van de wals maakte het oppervlak vlak, verwijderde de rimpelingen en creëerde een gladde, gelijkmatige basis voor de volgende laag. Belangrijker nog was dat de mechanische druk de lange, kolomvormige kristallen en de brosse webpatronen verbrak. In hun plaats vormde het metaal kleine, uniforme en ronde korrels die gelijkmatig door het materiaal verspreid waren.

Deze transformatie in de interne structuur van het metaal had een directe en meetbare impact op de sterkte. De onderzoekers ontdekten dat de gewalste monsters aanzienlijk harder en sterker waren dan de niet-gewalste exemplaren. Gemiddeld nam de hardheid van het gewalste metaal met 4,6 procent toe, en het vermogen om uit elkaar getrokken te worden, bekend als treksterkte, verbeterde met 9,13 procent. Het metaal werd ook consistenter; de variaties in sterkte van de ene plek naar de andere werden verminderd, wat betekent dat het onderdeel voorspelbaarder zou reageren onder spanning. Het walsproces hielp ook om kleine luchtzakken, of poriën, die vaak tijdens het smeltproces in het metaal gevangen raken, te elimineren. In de niet-gewalste monsters waren deze poriën groter en hadden ze de neiging om samen te klonteren, wat fungeerde als zwakke plekken waar scheuren konden ontstaan. In de gewalste monsters waren deze poriën veel kleiner en gelijkmatig verdeeld, waardoor het veel moeilijker werd voor een scheur om te vormen en te groeien.

De reden voor deze verbetering ligt in de manier waarop het metaal op de druk en de hitte reageerde. Wanneer de wals op het warme metaal drukte, dwong het de atomen om zich te herschikken en de kristallen om in kleinere stukjes te breken. Dit proces creëerde een hoge dichtheid aan interne defecten genaamd dislocaties, die fungeren als een barrière voor beweging, waardoor het metaal moeilijker te vervormen is. Wanneer de volgende laag gesmolten metaal erop werd toegevoegd, fungeerde de hitte van die nieuwe laag als een milde gloeibehandeling, waardoor het metaal kon settelen in een nieuwe, fijnere structuur zonder de voordelen van de druk te verliezen. De elementen koper en mangaan binnen de legering, die soms kunnen klonteren en zwakte kunnen veroorzaken, werden door het walsen ook gelijkmatiger verdeeld. Deze uniforme verdeling voorkwam de vorming van grote, brosse clusters die het onderdeel zouden kunnen verzwakken. De onderzoekers observeerden dat de richting waarin de metaalkristallen groeiden minder dominant werd, wat de neiging verminderde dat het materiaal in de ene richting sterk maar in de andere richting zwak zou zijn.

Uiteindelijk toont de studie aan dat het toevoegen van een eenvoudige walsstap aan het fabricageproces een standaard aluminium onderdeel kan veranderen in een hoogwaardig component. Door de interne korrelstructuur te verfijnen en defecten te verwijderen, lieten de onderzoekers zien dat het mogelijk is om de beperkingen van traditionele additieve fabricage voor deze specifieke legering te overwinnen. De bevindingen suggereren dat deze gecombineerde aanpak een praktisch pad biedt voor het creëren van grote, complexe aluminium onderdelen die niet alleen lichtgewicht zijn, maar ook sterk genoeg voor de meest veeleisende toepassingen in de luchtvaart en defensie. Het werk bevestigt dat het beheersen van de fysieke staat van het metaal terwijl het afkoelt net zo belangrijk is als de hitte die wordt gebruikt om het te smelten, wat ingenieurs een nieuw instrument biedt om betere machines te bouwen.