Synthesis of Shape Memory Composites by Laser Powder Bed Fusion

Editorial Board PCSS Journal; Юлія Никируй; Степан Мудрий; Юрій Кулик; Назар Попільовський; Ігор Штаблавий

doi:10.15330/pcss.27.3.532-541

Автор(и)

Юлія Никируй Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Степан Мудрий Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Юрій Кулик Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Назар Попільовський Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Ігор Штаблавий Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.3.532-541

Ключові слова:

сплав Cu-Al-Ni, сплав з пам'яттю форми, адитивне виробництво, селективне лазерне плавлення, лазерне спікання порошку на підкладці, мікротвердість, функціональний градієнтний композит

Анотація

У цій роботі досліджується вплив різних параметрів лазерної обробки, а також атмосфери на еволюцію мікроструктури порошкового сплаву Cu-Al-Ni та утворення фаз з пам'яттю форми, синтезованих за допомогою лазерного спікання порошкової суміші чистих елементів методами селективного лазерного спікання/плавлення (selective laser sintering/melting, SLS, SLM). Експериментальні результати показали, що синтез у вакуумі 10^-2 Па замість атмосфери повітря значно покращує консолідацію частинок порошку, запобігаючи утворенню оксидів. Методами Х-променевого дифракційного аналізу та сканувальної електронної мікроскопії досліджено, що в результаті багатостадійного лазерного сканування, що включає попереднє нагрівання та постобробку, утворюється гетерогенна мікроструктура, що включає аустенітну та мартенситну фази, які відповідають за ефект пам’яті форми. Аналіз кривих рентгенівської дифракції зразка, отриманого в оптимізованих режимах SLM, показує складну еволюцію фазового складу. Було виявлено, що інтенсивність основного аустенітного рефлексу вдвічі вища, ніж інтенсивність залишкового піку міді Cu. Це свідчить про те, що вибрані параметри лазерного сканування забезпечили достатнє термічне навантаження для глибокого легування компонентів порошкової суміші. Завдяки високим швидкостям охолодження вдалося зафіксувати перехідні морфологічні стани зразків, які можна розглядати як інформативні модельні структури, що дозволяють дослідити еволюцію матеріалу від порошкової суміші до функціонального градієнтного композиту, що важливо для розуміння фізики формування фаз з пам'яттю форми в адитивному виробництві. Комп'ютерне моделювання проведене методом молекулярної динаміки, демонструє, що за умов лазерної обробки, що використовуються в цьому дослідженні, зародки аустенітної фази можуть формуватися безпосередньо з рідкого стану. Це підтверджується утворенням мікрообластей зі структурою типу ОЦК одразу після плавлення та їх існуванням у широкому діапазоні температур. Результати дослідження мікротвердості показують значну варіативність значень локальної твердості, що пояснюється складною гетерогенною композитною структурою. Домінування аустенітної фази в поєднанні з субмікронною комірчастою структурою підтверджує формування функціонального сплаву з фазами з ефектом пам'яті форми.

Посилання

Weiming Ji, Runhua Zhou, Priyanka Vivegananthan, Mao See Wu, Huajian Gao, Kun Zhou. Recent progress in gradient-structured metals and alloys, Progress in Materials Science, 140, 101194 (2023); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101194.

T. Yang, Z. Jia, H. Chen, Z. Deng, W. Liu, L. Chen, et al. Mechanical design of the highly porous cuttlebone: A bioceramic hard buoyancy tank for cuttlefish, Proc Natl Acad Sci, 117(38), 23450 (2020); https://doi.org/10.1073/pnas.2009531117.

CA Stifler, JE Jakes, JD North, DR Green, JC Weaver, PU Gilbert, Crystal misorientation correlates with hardness in tooth enamels, Acta Biomater;120, 124 (2021); https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.07.037.

Z Cheng, L Bu, Y Zhang, H Wu, T Zhu, H Gao, et al. Unraveling the origin of extra strengthening in gradient nanotwinned metals, Proc Natl Acad Sci, 119 (3), e2116808119 (2022); https://doi.org/10.1073/pnas.2116808119.

Q Pan, L Zhang, R Feng, Q Lu, K An, AC Chuang, et al. Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility, Science, 374 (6570), 984 (2021); https://doi.org/10.1126/science.abj8114.

Z Cheng, L Bu, Y Zhang, H Wu, T Zhu, L. Lu, Characterization of gradient plastic deformation in gradient nanotwinned Cu, Acta Mater, 118673 (2023); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118673.

R Cao, Q Yu, J Pan, Y Lin, A Sweet, Y Li, et al. On the exceptional damage-tolerance of gradient metallic materials, Mater Today, 32, 94 (2020); https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.09.023.

J Zou, Y Liang, Y Jiang, C Yin, C Huang, D Liu, et al. Fretting fatigue mechanism of 40CrNiMoA steel subjected to the ultrasonic surface rolling process: The role of the gradient structure, Int J Fatigue, 167, 107383 (2023); https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107383.

Z Dong, F Wang, D Qian, F Yin, H Wang, X Wang, et al. Enhanced Wear Resistance of the Ultrastrong Ultrasonic Shot-Peened M50 Bearing Steel with Gradient Nanograins, Metals, 12 (3), 424 (2022); https://doi.org/10.3390/met12030424.

P Shen, B Zhang, Z Li, X Pang, W. Deng, Forming mechanism, mechanical properties, and corrosion properties of aluminum alloy sheet with gradient structure processed by plastic flow machining, J Alloy Compd, 933, 167800 (2023).

V.V Girzhon, V.M. Kovalyova, and O.V. Smolyakov. Formation of Aluminium Surface Layers’ Structure during Laser Alloying with Copper and Cobalt Powders, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 35 (8), 1095 (2013).

M Pérez-Cerrato, I Fraile, JF Gómez-Cortés, E Urionabarrenetxea, I Ruiz-Larrea, I González, ML Nó, N Burgos, JM San Juan, Designing for Shape Memory in Additive Manufacturing of Cu-Al-Ni Shape Memory Alloy Processed by Laser Powder Bed Fusion. Materials (Basel). 9, 15(18), 6284 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15186284.

I.V. Gayvoronskyy, V.V. Girzhon, and O.V. Smolyakov. Thermal Stability of Aluminium Surface-Layers Structure after Laser Alloying with Copper and Iron Metals from the Mixture, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii 34 (5), 697 (2012).

E Yasa, JP Kruth, J Deckers, Manufacturing by combining Selective Laser Melting and Selective Laser Erosion/laser re-melting. CIRP Ann Manuf Technol. 60, 263 (2011); https://doi.org/10.1016/j.cirp.2011.03.063.

Y. Nykyruy, I. Shtablavyi, S. Mudry, Y. Kulyk, N. Popilovskyi, & O. Kovalskyi, Laser-sinterability of amorphous Fe-based powder. Journal of Physical Studies, 29(1), 1602 (2025); https://doi.org/10.30970/jps.29.1602.

I. Yadroitsev, P. Bertrand, I. Smurov, Parametric analysis of the selective laser melting process. Appl Surf Sci. 253, 8064 (2007); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.02.088.

T. Gustmann, A. Neves, U. Kühn, P. Gargarella, C.S. Kiminami, C. Bolfarini, J. Eckert, S. Pauly, Influence of processing parameters on the fabrication of a Cu-Al-Ni-Mn shape-memory alloy by selective laser melting, Additive Manufacturing, 11, 23 (2016); https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.04.003.

Yankun Zhang, Lianyong Xu, Lei Zhao, Danyang Lin, Minqian Liu, Xueyan Qi, Yongdian Han, Process-microstructure-properties of CuAlNi shape memory alloys fabricated by laser powder bed fusion, Journal of Materials Science & Technology, 152, 1 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.12.037.

I. Shtablavyi, N. Popilovskyi, Y. Nykyruy, & S. Mudry, Selective laser sintering of amorphous nanoparticles: Molecular dynamics simulations. Physics and Chemistry of Solid State, 25(1), 5 (2024); https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.5-13.

L Yang, M Sega, J. Harting, Capillary-bridge forces between solid particles: Insights from lattice Boltzmann simulations. AIChE J., 67(9), e17350(2021); https://doi.org/10.1002/aic.17350.

D. Gu, Y. Shen, Balling phenomena in direct laser sintering of stainless steel powder: Metallurgical mechanisms and control methods. Materials & Design, 30(8), 2903 (2009); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.01.013.

Mohd Rhafiq Mazlan, Nashrah Hani Jamadon, Armin Rajabi, Abu Bakar Sulong, Intan Fadhlina Mohamed, Farazila Yusof, Nur Ayuni Jamal, Necking mechanism under various sintering process parameters – A review, Journal of Materials Research and Technology, 23, 2189 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.01.013.

Y. Nykyruy, S. Mudry, Y. Kulyk, I. Shtablavyi, R. Serkiz, V. Girzhon, & O. Smolyakov, Structure and phase transformations of amorphous-nanocrystalline Al-based alloy. Applied Nanoscience, 10, 4385 (2020); https://doi.org/10.1007/s13204-020-01340-y.

Agrawal, Ashish & Vajpai, Sanjay. Preparation of Cu-Al-Ni Shape Memory Alloy strips by spray deposition-hot rolling route, Materials Science and Technology, 36, 1337 (2020); https://doi.org/10.1080/02670836.2020.1781354.

Gojic, Mirko & Kožuh, S. & Anzel, Ivan & Lojen, Gorazd & Ivanić, Ivana & Kosec, Borut. Microstructural and phase analysis of CuAlNi shape-memory alloy after continuous casting, Materiali in Tehnologije, 47, 149 (2013).

Pérez-Cerrato, Mikel, Itziar Fraile, José Fernando Gómez-Cortés, Ernesto Urionabarrenetxea, Isabel Ruiz-Larrea, Iban González, María Luisa Nó, Nerea Burgos, and Jose M. San Juan. Designing for Shape Memory in Additive Manufacturing of Cu–Al–Ni Shape Memory Alloy Processed by Laser Powder Bed Fusion, Materials, 15, 18, 6284 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15186284.

G.J. Ackland, and A. Jones, Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation Phys. Rev. B 73, 054104 (2026); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.054104.