Assessing Additive Manufacturability of Alloys with Rapid Experimental and Computational Methods

Abstract

Metallien lisäävä valmistus (3D-tulostus) on vakiinnuttanut itsensä monimutkaisten ja korkeaa suorituskykyä vaativien komponenttien valmistusmenetelmänä, mutta on materiaalivalikoimaltaan rajoittunut. Metalliseoksen tulostettavuuden voi selvittää yksinkertaisesti kokeilemalla, mikä on erittäin työlästä. Pelkästään raaka-aineen eli metallijauheen valmistaminen voi olla haastavaa, sillä monet seosaineet vaativat erittäin korkeita lämpötiloja sulaakseen, höyrystyvät helposti, ovat myrkyllisiä tai reaktiivisia. Tulostettavuuden arvioinnissa metallijauheen jauheen laadulla on suuri merkitys, sillä eri tulostusprosessit käyttävät eri kokoista partikkelikokojakaumaa, ja metallijauheesta johtuvat virheet ainetta lisäävillä menetelmillä valmistetussa kappaleessa voivat hankaloittaa kemialliseen koostumukseen tai metallurgiseen termodynamiikkaan pohjautuvien vikojen analysointia.

Hyvä valmistettavuus on ollut edellytyksenä monien metalliseosten päätymiselle laajaan käyttöön. Valmistusmenetelmien kehittyessä metalliseoksia täytyy räätälöidä sopivammiksi uusille valmistusmenetelmille. Laserpohjaiset lisäävät menetelmät, kuten laser-jauhepetisulatus (L-PBF) tai laser-suorakerrostus (DED), ovat luoneet tarpeen nopealle materiaalikehitykselle, joka huomioi erittäin nopeassa jähmettymisessä tapahtuvat metallurgiset ilmiöt heikentämättä materiaalin haluttuja ominaisuuksia. Tässä väitöskirjassa on tutkittu nopeita kokeellisia ja laskennallisia menetelmiä metalliseosten tulostettavuuden arvioimiseksi. Ihanteellisesti seoksen prosessoitavuus ja ominaisuudet voitaisiin selvittää pelkän kemiallisen koostumuksen perusteella. Koska tämänlaiset täysimittaiset simulaatiot eivät ole vielä mahdollisia lisääville prosesseille, tässä väitöstyössä on yhdistelty kokeita ja kevyitä laskennallisia menetelmiä tarpeen mukaan. Kuumahalkeilua ja sulan käyttäytymistä on tutkittu kokeellisella laser single track -menetelmällä, kun taas kylmähalkeilutaipumuksen ja herkästi höyrystyvien seosaineiden stabiilisuuden arviointia varten kehitettiin termodynaamiseen laskentaan pohjautuva menetelmä. Lisäksi tässä väitöstyössä kokeiltiin kahta erilaista tapaa vähentää kylmähalkeilua tulostusprosessin aikana.

Metal additive manufacturing (AM or 3D printing) has been adopted as the go-to method when manufacturing complicated structures with high performance requirements, but is limited in usable alloys. Obviously, trial and error is the most straightforward way to determine whether an alloy is printable, but the necessary steps to print a novel material are expensive and time consuming. The trouble persists right from the beginning. Even making a metallic powder of an arbitrary composition to be used as a raw material is not trivial, as elements can have very high melting points, they can be volatile, toxic, or reactive with the equipment or the atmosphere. The resulting powder particle size and quality may also pose challenges in trial and error experiments, and may complicate the separation of process related defects from the ones originating from chemical composition and metallurgical thermodynamics.

In general, good manufacturability of alloys has been paramount for their wider adoption. As manufacturing methods evolve, the alloys have to be adapted to the new methods. Laser-based additive manufacturing, such as laser powder bed fusion (L-PBF) or direct energy deposition (DED), requires materials with suitable solidification processability without compromising end use performance. In this dissertation, rapid experimental and computational methods are developed to evaluate laser AM processability of alloys as efficiently as possible. In an ideal situation, the processability and properties of an alloy would be resolved from the chemical composition only. Because full-scale AM simulations require much more than the chemical composition alone, this dissertation combines experiments and rapid computational methods as necessary. Hot cracking and melt behavior are assessed with experimental single track laser beam scanning, whereas a Calphad-based computational thermodynamics method for estimating cold cracking tendency and volatile alloying element loss was developed to complement the single-track experiments. Furthermore, crack-free L-PBF of two brittle alloys suffering from cold cracking was successfully demonstrated utilizing two different approaches for cold cracking mitigation.