High-Energy X-rays Light Path to 3D-Printing One of Strongest Stainless Steels

For airliners, cargo ships, nuclear power plants and other critical technologies, strength and durability are essential. This is why many contain a remarkably strong and corrosion-resistant alloy called 17-4 precipitation hardening (PH) stainless steel. Now, for the first time ever, 17-4 PH steel can be consistently 3D-printed while retaining its favorable characteristics.

A team of researchers from the National Institute of Standards and Technology (NIST), the University of Wisconsin-Madison and Argonne National Laboratory has identified particular 17-4 steel compositions that, when printed, match the properties of the conventionally manufactured version. The researchers’ strategy, described in the journal Additive Manufacturing, is based on high-speed data about the printing process they obtained using high-energy X-rays from a particle accelerator.

The new findings could help producers of 17-4 PH parts use 3D printing to cut costs and increase their manufacturing flexibility. The approach used to examine the material in this study may also set the table for a better understanding of how to print other types of materials and predict their properties and performance.

Despite its advantages over conventional manufacturing, 3D-printing of some materials can produce results that are too inconsistent for certain applications. Printing metal is particularly complex, in part because of how quickly temperatures shift during the process.

“When you think about additive manufacturing of metals, we are essentially welding millions of tiny, powdered particles into one piece with a high-powered source such as a laser, melting them into a liquid and cooling them into a solid,” said NIST physicist Fan Zhang, a study co-author. “But the cooling rate is high, sometimes higher than one million degrees Celsius per second, and this extreme nonequilibrium condition creates a set of extraordinary measurement challenges.”

Because the material heats and cools so hastily, the arrangement, or crystal structure, of the atoms within the material shifts rapidly and is difficult to pin down, Zhang said. Without understanding what is happening to the crystal structure of steel as it is printed, researchers have struggled for years to 3D-print 17-4 PH, in which the crystal structure must be just right, a type called martensite, for the material to exhibit its highly sought-after properties.

The authors of the new study aimed to shed light on what happens during the fast temperature changes and find a way to drive the internal structure toward martensite.

Just as a high-speed camera is needed to see a hummingbird’s flapping wings, the researchers needed special equipment to observe rapid shifts in structure that occur in milliseconds. They found the right tool for the job in synchrotron X-ray diffraction, or XRD.

In XRD, X-rays interact with a material and will form a signal that is like a fingerprint corresponding to the material’s specific crystal structure,” said Lianyi Chen, a professor of mechanical engineering at UW-Madison and study co-author.

At the Advanced Photon Source (APS), a powerful light source at the Department of Energy’s Argonne National Laboratory, the authors smashed high-energy X-rays into steel samples during printing. The authors mapped out how the crystal structure changed over the course of a print, revealing how certain factors they had control over, such as the composition of the powdered metal, influenced the process throughout.

A microscopic image of 3D-printed 17-4 stainless steel. The colors in the left-side version of the image represent the differing orientations of crystals within the alloy. Credit: Q. Guo/University of Wisconsin-Madison

While iron is the primary component of 17-4 PH steel, the composition of the alloy can contain differing amounts of up to a dozen different chemical elements. The authors, now equipped with a clear picture of the structural dynamics during printing as a guide, were able to fine-tune the makeup of the steel to find a set of compositions including just iron, nickel, copper, niobium and chromium that did the trick.

“Composition control is truly the key to 3D-printing alloys. By controlling the composition, we are able to control how it solidifies. We also showed that, over a wide range of cooling rates, say between 1,000 and 10 million degrees Celsius per second, our compositions consistently result in fully martensitic 17-4 PH steel,” Zhang said.

As a bonus, some compositions resulted in the formation of strength-inducing nanoparticles that, with the traditional method, require the steel to be cooled and then reheated. In other words, 3D printing could allow manufacturers to skip a step that requires special equipment, additional time and production cost.

Mechanical testing showed that the 3D-printed steel, with its martensite structure and strength-inducing nanoparticles, matched the strength of steel produced through conventional means.

The new study could make a splash beyond 17-4 PH steel as well. Not only could the XRD-based approach be used to optimize other alloys for 3D printing, but the information it reveals could be useful for building and testing computer models meant to predict the quality of printed parts.

“Our 17-4 is reliable and reproducible, which lowers the barrier for commercial use. If they follow this composition, manufacturers should be able to print out 17-4 structures that are just as good as conventionally manufactured parts,” Chen said.



Bài viết liên quan

Tin mới nhất

3D Vina Góp Mặt Tại Sự Kiện Gặp Mặt Đại Lý Quốc Tế Ngành X-Ray - Unicomp 3D Vina Góp Mặt Tại Sự Kiện Gặp Mặt Đại Lý Quốc Tế Ngành X-Ray - Unicomp
Dịch vụ Sửa chữa máy X-ray Scienscope tại nhà máy Pengfu Electronics Bắc Giang – Quy trình chuyên sâu, hiệu quả vượt trội Dịch vụ Sửa chữa máy X-ray Scienscope tại nhà máy Pengfu Electronics Bắc Giang – Quy trình chuyên sâu, hiệu quả vượt trội
Khám Phá Máy X-Ray AX7900 Unicomp - Giải Pháp Kiểm Tra Dây Điện, Dây Connector và Mạch Điện Tử Khám Phá Máy X-Ray AX7900 Unicomp - Giải Pháp Kiểm Tra Dây Điện, Dây Connector và Mạch Điện Tử
Máy X-Ray Unicomp UNC450 - Cỗ máy kiểm tra không phá hủy hiện đại Máy X-Ray Unicomp UNC450 - Cỗ máy kiểm tra không phá hủy hiện đại
Ưu Điểm Của Máy X-Quang Kiểm Tra Khuyết Tật So Với Các Phương Pháp Khác Ưu Điểm Của Máy X-Quang Kiểm Tra Khuyết Tật So Với Các Phương Pháp Khác
Nguyên Lý Hoạt Động Của Máy X-Ray Soi Khuyết Tật Sản Phẩm Nguyên Lý Hoạt Động Của Máy X-Ray Soi Khuyết Tật Sản Phẩm
Những Điều Cần Lưu Ý Khi Sử Dụng Máy Chụp X-Ray Những Điều Cần Lưu Ý Khi Sử Dụng Máy Chụp X-Ray
3D Vina - Sửa Chữa Máy X-ray Xavis A100R Tại Công Ty Nano Hightech Bắc Giang 3D Vina - Sửa Chữa Máy X-ray Xavis A100R Tại Công Ty Nano Hightech Bắc Giang
3D VINA Hoàn Thành Sửa Chữa Máy Xray Techvalley Cho OT Motor Vina 3D VINA Hoàn Thành Sửa Chữa Máy Xray Techvalley Cho OT Motor Vina
Dịch Vụ Cho Thuê Máy Xray Dịch Vụ Cho Thuê Máy Xray
Công Ty Thiết Bị Đo Lường 3D Vina Triển Khai Lắp Máy X-Ray AX7900 Unicomp cho Khách Hàng Gre Alpha Công Ty Thiết Bị Đo Lường 3D Vina Triển Khai Lắp Máy X-Ray AX7900 Unicomp cho Khách Hàng Gre Alpha
 3D Vina Thực Hiện Check và Sửa Chữa Máy X-Ray XSCAN-A130H Kiểm Tra Bo Mạch Điện Tử 3D Vina Thực Hiện Check và Sửa Chữa Máy X-Ray XSCAN-A130H Kiểm Tra Bo Mạch Điện Tử
3D Vina Lắp Đặt Thành Công Máy Xray UNC160 Cho Đối Tác: Nâng Cao Chất Lượng Kiểm Tra và An Toàn Sản Phẩm 3D Vina Lắp Đặt Thành Công Máy Xray UNC160 Cho Đối Tác: Nâng Cao Chất Lượng Kiểm Tra và An Toàn Sản Phẩm
Máy X-Ray Techvalley ARIRANG 160CT: Giải Pháp Tối Ưu Cho Kiểm Tra SMT và Linh Kiện Bán Dẫn Máy X-Ray Techvalley ARIRANG 160CT: Giải Pháp Tối Ưu Cho Kiểm Tra SMT và Linh Kiện Bán Dẫn
3D VINA - Sửa Chữa Máy X-ray của 3D VINA tại Công Ty OT MOTOR VINA 3D VINA - Sửa Chữa Máy X-ray của 3D VINA tại Công Ty OT MOTOR VINA
Sự Tiên Tiến trong Kiểm Tra Khuyết Tật PCB: Máy X-ray của RMI Sự Tiên Tiến trong Kiểm Tra Khuyết Tật PCB: Máy X-ray của RMI
Máy X-Ray Cho Sản Phẩm Thực Phẩm Đông Lạnh Máy X-Ray Cho Sản Phẩm Thực Phẩm Đông Lạnh
Máy X-Ray Cho Thực Phẩm Từ Trái Cây, Rau Củ, Hoa Quả Máy X-Ray Cho Thực Phẩm Từ Trái Cây, Rau Củ, Hoa Quả
Máy X-Ray: Tương Lai Của An Toàn Vệ Sinh Thực Phẩm Máy X-Ray: Tương Lai Của An Toàn Vệ Sinh Thực Phẩm
Lắp Đặt Máy Unicomp X Ray AX7900 Cho Khách Hàng Chuyên Sản xuất Mainboard Lắp Đặt Máy Unicomp X Ray AX7900 Cho Khách Hàng Chuyên Sản xuất Mainboard