Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior

Metalen onderdelen voor vliegtuigen, auto's en schepen moeten vaak zowel ongelooflijk sterk als licht zijn, maar ze moeten ook bestand zijn tegen de langzame, destructieve beet van roest en zout water. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op aluminium voor deze taken, omdat het van nature licht en corrosiebestendig is. Het maken van aluminium onderdelen die echter ook sterk genoeg zijn voor toepassingen met hoge belasting, is een hardnekkige uitdaging gebleken, vooral bij het gebruik van moderne productietechnieken waarbij objecten laag voor laag worden opgebouwd. Een dergelijke techniek, bekend als laser-directed energy deposition, werkt als een hoogprecisie lasbrander die metaalpoeder smelt en het tot een solide vorm versmelt. Hoewel deze methode de creatie van complexe, lichtgewicht structuren mogelijk maakt die traditionele fabrieken niet kunnen produceren, laat het metaal vaak achter met een grove, ongelijkmatige interne structuur die het zwak en gevoelig voor scheuren maakt. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers lang gekeken naar het toevoegen van kleine hoeveelheden specifieke elementen aan het aluminiummengsel om de interne korrelstructuur te verfijnen, vergelijkbaar met hoe een bakker een specifiek ingrediënt kan toevoegen om ervoor te zorgen dat brood gelijkmatig rijst, maar het vinden van een manier om dit te doen zonder dure of zeldzame materialen te gebruiken, was de heilige graal van het vakgebied.

Een team onderzoekers zette zich scharpe om dit probleem op te lossen door twee verschillende strategieën te testen voor het modificeren van een gangbaar aluminiumlegering die zeven procent magnesium bevat. Hun doel was om te zien of ze een materiaal konden creëren dat niet alleen sterk en scheurvrij was, maar ook bestand was tegen corrosie, terwijl de kosten laag werden gehouden. Ze begonnen door een laser te gebruiken om metaalpoeder te smelten en te versmelten, waarbij ze de kracht van de laser en de snelheid waarmee deze bewoog zorgvuldig aanpasten om ervoor te zorgen dat het metaal soepel smolt zonder gaten of scheuren te vormen. Zodra ze het printproces voor de basis-aluminiumlegering hadden geperfectioneerd, introduceerden ze twee verschillende sets additieven. De eerste set bevatte kleine hoeveelheden scandium en zirconium, elementen die bekend staan om hun uitstekende vermogen om grote metaalkorrels op te breken in kleine, uniforme korrels, hoewel scandium berucht duur en moeilijk te herleiden is. De tweede set verving het dure scandium door zink, een veel goedkoper en algemener voorkomend metaal, gecombineerd met zirconium, om te zien of dit vergelijkbare resultaten kon bereiken.

De resultaten van hun experimenten gaven een duidelijk beeld van hoe deze additieven het metaal veranderden. De basis-aluminiumlegering, zonder speciale additieven, vormde grote korrels met een gemiddelde grootte van meer dan honderd micrometer, wat ongeveer de breedte van een menselijk haar is. Wanneer de onderzoekers scandium en zirconium toevoegden, veranderde de interne structuur drastisch. De korrels werden ongelooflijk fijn en krompen tot een gemiddelde grootte van minder dan tien micrometer. Deze verfijning maakte het metaal aanzienlijk sterker en uniformer. De legering met een hoger gehalte aan scandium bleek de sterkste te zijn, in staat om een trekkracht van meer dan vierhonderd megapascal te weerstaan voordat het brak, terwijl het nog steeds genoeg flexibiliteit behield om te rekken zonder te knappen. Interessant genoeg vertoonden de met zink gemodificeerde legeringen ook een grote verbetering ten opzichte van het basismetaal, waarbij hun korrels krompen tot ongeveer vijftien tot zestien micrometer. Hoewel niet zo fijn als de scandiumversies, was dit niveau van verfijning nog steeds indrukwekkend en resulteerde het in een materiaal dat bijna even sterk was als de duurdere optie.

Naast sterkte waren de onderzoekers ook geïntrigeerd door de vraag hoe deze nieuwe legeringen stand zouden houden tegen corrosie, een kritieke factor voor elk metaal dat in een mariene of automotive omgeving wordt gebruikt. Ze stelden de geprinte monsters gedurende enkele dagen bloot aan een constante nevel van zout water om barre omstandigheden te simuleren. De legering met de lagere hoeveelheid scandium presteerde het best in deze test, waarbij het de minste hoeveelheid gewicht verloor en de langzaamste snelheid van corrosie vertoonde. De met zink gemodificeerde legeringen vertoonden, hoewel sterk, iets hogere corrosiesnelheden, wat suggereerde dat het zink kleine gebieden binnen het metaal zou kunnen creëren waar roest gemakkelijker zou kunnen ontstaan. De studie merkte ook op dat tijdens het laserprintproces een deel van het magnesium en zink verdampte door de intense hitte, maar de legeringen behielden nog steeds genoeg van deze elementen om hun functie uit te oefenen. De scandium en zirconium bleven echter stabiel tijdens het proces.

De bevindingen suggereren een praktisch pad voorwaarts voor de industrie. Hoewel de met scandium gemodificeerde legering het beste algemene evenwicht tussen sterkte en corrosiebestendigheid biedt, vormt de met zink gemodificeerde versie een aantrekkelijk, goedkoper alternatief dat nog steeds een hoge prestatie levert. De onderzoekers hebben aangetoond dat het, door het printproces zorgvuldig te controleren en de juiste mix van elementen te kiezen, mogelijk is om aluminium onderdelen te creëren die vrij zijn van scheuren, een zeer fijne interne structuur hebben en beschikken over de mechanische sterkte die nodig is voor veeleisende toepassingen. Dit werk geeft aan dat ingenieurs niet noodzakelijkerwijs hoeven te vertrouwen op de duurste materialen om hoogwaardige resultaten te behalen; in plaats daarvan kunnen ze strategische combinaties van veelvoorkomende en zeldzame elementen gebruiken om aluminium af te stemmen op de toekomst van lichtgewicht productie.