Real-time tracking of additive manufacturing with high-energy X-ray techniques

Abstract

Additiv tillverkning (AM) av metaller erbjuder unik designfrihet och möjlighet att skräddarsy mikrostrukturer och egenskaper hos komponenter. Komplexa termiska förlopp och den snabba stelningen som sker under AM medför dock betydande utmaningar vad gäller mikrostrukturkontroll och processoptimering. I detta arbete används synkrotrontekniker för att studera de snabba fenomen som uppstår under AM i realtid. Synkrotrontekniker, inklusive röntgendiffraktion (XRD) och radiografi, är kraftfulla verktyg för att undersöka AM-relaterade fenomen såsom interaktionen mellan energikälla och material, smältpoolens dynamik samt stelning och fasomvandlingar i realtid. Genom att korrelera datan med processparametrar förbättras förståelsen av AM-processen och av de mekanismer som styr. Resultaten är viktiga för processoptimering, legeringsdesign och utveckling av beräkningsmodeller.

Resultaten av detta arbete kan delas in i två delar.

Den första delen fokuserar på design och implementering av en provmiljö, en elektronstråle-printer (PBF-EB), för realtidsstudier vid synkrotronljusanläggningar (kapitel 3). Provmiljön möjliggör undersökning av ovan nämnda AM-fenomen under PBF-EB vid höga temperaturer och vakuum, samt PBF-EB-specifika effekter såsom det så kallade ”smoke”-fenomenet.Printerns design och dess kapacitet för PBF-EB-printning och synkrotronmätningar i realtid beskrivs med stöd av experimentella data.

I den andra delen studeras stelning och fasomvandlingar i AM genom synkrotronobservationer i realtid (kaptil 4), i kombination med termodynamiska och kinetiska beräkningar. Förändringen av stelningsbeteendet undersöktes i varmarbetsverktygsstål under förhållanden typiska för laserbaserad AM (PBF-LB).I denna studie observerades övergången från primär austenit till primär $\delta$-ferrit vid kylhastigheter i intervallet 2.1 x 10^4 K/s till 1.5 x 10^6 K/s. Observationerna kopplades till en stelningsmodell.Dessutom användes den utvecklade PBF-EB-provmiljön för att studera stelning hos samma verktygsstål vid kylhastigheter från 1.5 x 10^3 K/s till 1.6 x 10^4 K/s. De observerade fasomvandlingarna korrelerades med termodynamisk och kinetisk modellering, och visade på processinducerade sammansättningsvariationer. Martensitstarttemperaturen (Ms) i rent järn och Fe–C-legeringar under PBF-LB-förhållanden undersöktes med high speed-XRD vid 20 kHz. De observerade fasomvandlingarna korrelerades med termiska simuleringar och visade att Ms temperaturen beror på såväl kylhastighet som sammansättning. Förståelse av martensitomvandlingen i låglegerade stål under PBF-förhållanden kan underlätta utvecklingen av material för AM som är lättare att återvinna.

Sammanfattningsvis, den här avhandlingen fokuserar på realtidsstudier av metall-AM med hjälp av synkrotrontekniker och kopplar resultaten till modellering. Resultaten visar att in-situ- och operando-synkrotronstudier, i kombination med beräkningsmodeller som tar hänsyn till termiska förhållanden och sammansättningsvariationer, är effektiva verktyg för process- och legeringsutveckling inom AM. I synnerhet mångsidigheten hos den utvecklade PBF-EB-provmiljön möjliggör framtida studier av en mängd olika PBF- och PBF-EB-relaterade fenomen.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-362466