NIST разрабатывает технологию лазерного перемешивания для 3D-печати высокоэнтропийных сплавов

Репортаж от Wedoany，Исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали метод лазерного перемешивания для аддитивного производства металлов, который решает давнюю проблему в производстве высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) — достижение равномерного смешения различных металлов на атомном уровне в процессе затвердевания.

Высокоэнтропийные сплавы содержат примерно равные доли нескольких металлов, в отличие от традиционных сплавов, где один металл является основой с微量 добавками. Такой состав обеспечивает им преимущества в производительности при высоких температурах, что делает их кандидатами для деталей реактивных двигателей и ядерных реакторов. Однако разная плотность, температура плавления и поверхностное натяжение составляющих металлов приводят к их склонности разделяться на отдельные области при охлаждении расплава, что усложняет производство.

«Высокоэнтропийные сплавы требуют смешения на атомном уровне, — говорит Фан Чжан, физик NIST, совместно руководивший проектом. — Чтобы смешать металлы в таких пропорциях, требуются дополнительные усилия.»

Металлическая 3D-печать предлагает потенциальный путь, обходящий ограничения литья. «Изготовление деталей из высокоэнтропийных сплавов традиционными методами, такими как литье, затруднительно, — говорит Чжан. — Но мы считаем, что металлическая 3D-печать может стать решением.»

Переписывание траектории лазера

Метод команды NIST изменяет способ перемещения лазера в процессе лазерного плавления порошкового слоя. Вместо того чтобы двигаться по традиционной прямолинейной траектории по порошковому слою, исследователь Хо Йенг направлял лазер по эллиптической кольцевой траектории, активно перемешивая расплав по мере его формирования.

«Программное обеспечение коммерческих 3D-принтеров не может генерировать такие траектории, — объясняет Йенг. — Их возможности по настройке траектории лазера очень ограничены, поэтому нам пришлось писать программное обеспечение с нуля.»

Поскольку технология не требует нового оборудования, существующие металлические 3D-принтеры в принципе могут быть перепрограммированы для её использования.

Метод был протестирован путём комбинирования двух материалов с существенно разными свойствами: RHEA-19 (плотный высокоэнтропийный сплав) и лёгкий титановый сплав. Для подтверждения успешного смешения NIST сотрудничал с передовым источником фотонов (APS) Аргоннской национальной лаборатории — синхротронным комплексом размером со стадион, который генерирует пучки рентгеновских лучей примерно в 500 миллиардов раз ярче, чем используемые в стоматологической визуализации. Эти пучки позволили исследователям в реальном времени наблюдать изменения атомной структуры металлов при переходе из жидкого в твёрдое состояние за время менее секунды.

«APS — один из немногих в мире источников фотонов, достаточно мощных, чтобы позволить нам проводить такие измерения», — говорит Чжан.

На пути к легированию по требованию

Помимо высокоэнтропийных сплавов, исследователи отмечают, что технология перемешивания может также поддерживать более широкое легирование по требованию внутри принтера — смешивание элементарных металлических порошков вместо использования предварительно легированного сырья. Машина, оснащённая элементарными порошками, может производить ряд сплавов, снижая затраты на материалы и расширяя диапазон печатаемых составов.

Метод также может быть использован для непрерывного изменения состава сплава в пределах одной детали — например, лопатка реактивной турбины может быть напечатана из нескольких металлов без сварных соединений.

«Мы хотим ускорить производство сплавов, — говорит Йенг. — Металлическая 3D-печать обладает потенциалом для изготовления деталей, которые ранее были невозможны.»

Исследование опубликовано в журнале «Additive Manufacturing».

Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com