Аддитивное производство, также называемое 3D-печатью, обычно используется для создания сложных трехмерных объектов слой за слоем. Исследователи A*STAR показали, что этот процесс также может помочь сделать высокоэффективный сплав еще прочнее.
Кобальт-хром-железо-никель-марганец (CoCrFeNiMn) известен как высокоэнтропийный сплав. Обнаруженный в 2004 году, он особенно хорошо выдерживает разрушение в суровых условиях окружающей среды, таких как низкие температуры. Чтобы сделать объект из сплава, исследователи обычно заливают расплавленный металл в отливку, дают ему остыть, а затем придают ему желаемую форму. Однако это может быть трудоемким и дорогостоящим способом изготовления сложных компонентов. В принципе, аддитивное производство может пропускать этап механической обработки, чтобы непосредственно изготавливать сложные компоненты.
Най Муи Линг Шарон из Сингапурского института производственных технологий A*STAR (SIMTech), ее коллеги и международные сотрудники показали, что метод аддитивного производства, называемый селективным лазерным плавлением, хорошо подходит для изготовления компонентов из CoCrFeNiMn. В процессе используется мощный лазерный луч для расплавления крошечных частиц порошка сплава, которые затем сплавляются, образуя твердый объект. Примечательно, что исследователи обнаружили, что этот процесс на самом деле дает более прочный материал, чем обычные методы литья. «Он демонстрирует повышенную прочность при относительно хорошей пластичности», — говорит Чжу Чжигуан, научный сотрудник группы SIMTech, руководившей исследованием.
Сначала исследователи создали предварительно легированный порошок CoCrFeNiMn, содержащий частицы со средним диаметром 36 микрометров. Затем они использовали лазерное плавление, чтобы превратить частицы в кубы шириной 10 миллиметров или плоские бруски размером 90 миллиметров. Они также варьировали мощность лазера и скорость, с которой он сканировал частицы сплава, чтобы понять, как различные условия печати влияют на характеристики сплава.
Анализ образцов выявил ряд особенностей, определяющих свойства материала. Например, он содержал микроскопические лужицы расплава, похожие на миниатюрные сварные швы, которые скрепляли материал. Он также содержал удлиненные кристаллические зерна диаметром примерно 13 микрометров; эти зерна были разделены на более мелкие «ячейки» шириной менее одного микрометра. Исследователи обнаружили, что эти клетки сыграли решающую роль в упрочнении сплава.
Кристаллы содержат регулярное множество атомов, расположенных в повторяющихся узорах. Большие кристаллы часто расщепляются довольно легко: если атомы в одной части кристалла соскальзывают со своего места, они заставляют соседние атомы скользить таким же образом, вызывая раскол по всему кристаллу.
Но материалы, образованные из множества более мелких зерен, могут избежать этой проблемы. Это связано с тем, что кристаллическая структура каждого зерна может не совпадать с соседними, поэтому любые атомные дислокации останавливаются, как только достигают границы зерна.
Крошечные ячейки в сплаве исследователя, по-видимому, усиливают этот упрочняющий эффект, задерживая дислокации и обеспечивая значительное улучшение прочности материала. Один из печатных сплавов, приготовленный с использованием оптимизированных условий печати, мог выдержать нагрузку в 510 мегапаскалей, прежде чем он начал необратимо деформироваться. Это почти в два раза превышает нагрузку, которую может выдержать сплав CoCrFeNiMn, полученный традиционным способом.
Затем исследователи нагревали свои 3D-печатные объекты при температуре 900 градусов по Цельсию в течение одного часа в инертной атмосфере. Это частично удалило ячеистую структуру и уменьшило прочность материала, но также сделало материал более пластичным, что позволило ему еще больше деформироваться.
Исследователи надеются, что настройка процессов 3D-печати может еще больше улучшить механические свойства материалов. Они также планируют использовать селективное лазерное плавление для изготовления других высокоэффективных сплавов , чтобы изучить, как микроскопическая структура материалов влияет на их свойства. «Благодаря этому пониманию мы сможем лучше адаптировать их свойства для промышленного применения и помочь ускорить внедрение аддитивного производства», — говорит Най.
