Synchrotron X-ray techniques could lead to Additive Manufacturing of a better steel

01/11/21-FR bas de page

Synchrotron-röntgentechnieken kunnen leiden tot Additive Manufacturing van een beter staal

Steel A multi-modal investigation of additively manufactured 316L stainless steel revealing a heterogeneous – and correlative – distribution of crystal defects in the bright-field transmission electron micrograph (grey-scale) and alloying elements in the superimposed x-ray fluorescence map (coloured).

Laser additieve fabricage - een vorm van 3D-printen die onderdelen laag voor laag opbouwt door metaalpoeders te smelten en opnieuw te laten stollen - heeft een renaissance ingeluid voor wetenschappers die leren hoe ze unieke structurele materialen kunnen ontwerpen.

Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van Stony Brook University werpt licht op het verband tussen het corrosiegedrag en de onderliggende materiaalstructuur in met laser additief vervaardigd 316L roestvrij staal - een corrosiebestendig metaal dat veel wordt gebruikt in marinetoepassingen.

Met behulp van multimodale synchrotron-röntgentechnieken ontdekte het team nieuwe verbanden tussen printparameters en de defecte toestand in het materiaal. Dit stelt de onderzoekers in staat om paden in kaart te brengen voor het ontwerpen van een nog betere corrosiebestendige gedrukte legering.

De bevindingen, gepubliceerd in het novembernummer van Additive Manufacturing, kunnen de toekomstige productie van een zeer corrosiebestendig roestvrij staal mogelijk maken door de defecten op nanoschaal te construeren. Het onderzoek toonde ook aan dat multimodale synchrotron-technieken essentiële hulpmiddelen worden bij het vaststellen van correlaties tussen het printproces, de onderliggende structuur van het materiaal en de gerealiseerde prestaties.

"De belangrijkste focus van onze studie was het begrijpen van het corrosiegedrag van laseradditief vervaardigd 316L roestvrij staal in de context van microstructurele defecten die ontstaan door de snelle stollingssnelheden die inherent zijn aan dit 3D-printproces", legt Jason Trelewicz, PhD, corresponderende auteur uit. en universitair hoofddocent Materials Science and Engineering aan het College of Engineering and Applied Sciences en het Institute for Advanced Computational Science. "We laten zien dat, hoewel uniforme oppervlaktecorrosie van het bedrukte 316L vergelijkbaar is met een traditionele 316L-legering, het bedrukte materiaal een verhoogde gevoeligheid voor putcorrosie vertoont, met name in de monsters met de grootste defectdichtheid die uit onze synchrotron-metingen is ontdekt."

Het team, bestaande uit onderzoekswetenschappers en studenten in de groep van professor Trelewicz, het Engineered Microstructures and Radiation Effects Laboratory, voerde in samenwerking met medewerkers van het Brookhaven National Laboratory de synchrotron-röntgenexperimenten uit bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). De 316L-monsters werden gedrukt aan de Pennsylvania State University door medewerker professor Guha Manogharan. Het team voerde correlatieve elektronenmicroscopie uit bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) in Brookhaven en corrosiemetingen uitgevoerd bij Stony Brook University.

Naast de ontwikkeling van nieuwe additief vervaardigde materialen, benadrukt Trelewicz dat de bevindingen de cruciale rol benadrukken die correlatieve synchrotron-röntgen- en elektronenmicroscopiemetingen kunnen spelen bij het opbouwen van een gedetailleerd beeld van volumegemiddelde microstructurele trends in materialen die zijn ontwikkeld door laseradditieve productie.

Het onderzoek wordt ondersteund door het Office of Naval Research onder contracten N00014-18-1-2614 en N00014-20-1-2293. Experimenten gebruikten bundellijnen 28-ID-1 (PDF), 28-ID-2 (XPD) en 3-ID (HXN) bij NSLS-II, evenals middelen in de Electron Microscopy Facility bij de CFN. De CFN en NSLS-II zijn beide Department of Energy Office of Science User Facilities.
Een multimodaal onderzoek van additief vervaardigd 316L roestvrij staal dat een heterogene - en correlatieve - verdeling van kristaldefecten in de helderveldtransmissie-elektronenmicrofoto (grijsschaal) en legeringselementen in de gesuperponeerde röntgenfluorescentiekaart (gekleurd) onthult.

NJC.© Info : Stony Brook University

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01/11/21

Les techniques à rayons X synchrotron pourraient conduire à la fabrication additive d'un meilleur acier

La fabrication additive au laser - une forme d'impression 3D qui construit des pièces couche par couche en faisant fondre et en resolidifiant des poudres métalliques - a inauguré une renaissance pour les scientifiques qui apprennent à concevoir des matériaux structurels uniques.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université Stony Brook met en lumière le lien entre le comportement à la corrosion et la structure des matériaux sous-jacents dans l'acier inoxydable 316L fabriqué par additif au laser, un métal résistant à la corrosion largement utilisé dans les applications navales.

À l'aide de techniques multimodales à rayons X synchrotron, l'équipe a découvert de nouvelles connexions entre les paramètres d'impression et l'état défectueux du matériau. Cela permet aux chercheurs de cartographier les voies pour concevoir un alliage imprimé encore mieux résistant à la corrosion.

Les résultats, publiés dans le numéro de novembre d'Additive Manufacturing, pourraient permettre la production future d'un acier inoxydable hautement résistant à la corrosion en maîtrisant ses défauts à l'échelle nanométrique. La recherche a également démontré que les techniques synchrotron multimodales deviennent des outils essentiels pour établir des corrélations entre le processus d'impression, la structure sous-jacente du matériau et ses performances réalisées.

"L'objectif principal de notre étude était de comprendre le comportement à la corrosion de l'acier inoxydable 316L fabriqué de manière additive dans le contexte des défauts microstructuraux qui se forment en raison des vitesses de solidification rapides inhérentes à ce processus d'impression 3D", explique Jason Trelewicz, PhD, auteur correspondant. et professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au College of Engineering and Applied Sciences et à l'Institute for Advanced Computational Science. « Nous montrons que, bien que la corrosion de surface uniforme du 316L imprimé soit similaire à un alliage 316L traditionnel, le matériau imprimé présente une susceptibilité accrue aux piqûres, en particulier dans les échantillons présentant la plus grande densité de défauts découverts grâce à nos mesures synchrotron. »

L'équipe, composée de chercheurs et d'étudiants du groupe du professeur Trelewicz, le Engineered Microstructures and Radiation Effects Laboratory, en collaboration avec des collaborateurs du Brookhaven National Laboratory, a mené les expériences de rayons X synchrotron à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Les échantillons 316L ont été imprimés à la Pennsylvania State University par le professeur Guha Manogharan, collaborateur. L'équipe a effectué une microscopie électronique corrélative au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven et des mesures de corrosion effectuées à l'Université de Stony Brook.

Au-delà du développement de nouveaux matériaux fabriqués de manière additive, Trelewicz dit que les résultats mettent en évidence le rôle critique corrélatif que les mesures par rayons X synchrotron et microscopie électronique peuvent jouer dans la construction d'une image détaillée des tendances microstructurales moyennes en volume dans les matériaux développés par la fabrication additive laser.

La recherche est soutenue par l'Office of Naval Research sous les contrats N00014-18-1-2614 et N00014-20-1-2293. Les expériences ont utilisé les lignes de lumière 28-ID-1 (PDF), 28-ID-2 (XPD) et 3-ID (HXN) au NSLS-II, ainsi que les ressources de l'installation de microscopie électronique du CFN. Le CFN et le NSLS-II sont tous deux des installations d'utilisateurs du Department of Energy Office of Science.
Une étude multimodale de l'acier inoxydable 316L fabriqué de manière additive révélant une distribution hétérogène - et corrélative - des défauts cristallins dans la micrographie électronique à transmission en champ clair (échelle de gris) et des éléments d'alliage dans la carte de fluorescence X superposée (couleur).

NJC.© Info : Stony Brook University

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