3D-печать увеличила прочность и пластичность стали

Американские исследователи разработали метод 3D-печати изделий из аустенитной нержавеющей стали, который позволяет при том же составе сплава получать более прочные и пластичные изделия, чем с помощью обычных методов. Статья опубликована в журнале Nature Materials.

В промышленности применяется множество видов стали, различающихся как по составу, так и по механическим свойствам. Часть из них обладает высокой прочностью, другие могут сильно деформироваться без разрушения, но комбинация этих свойств представляет собой большую проблему для ученых. В то же время, многие ученые занимаются разработкой таких сплавов из-за их востребованности.

В последние годы исследователи также занимаются и другой проблемой — применением 3D-печати в металлургии. Эта технология позволяет создавать конструкции такой формы, которая сложно реализуема или вовсе недостижима с помощью обычных методов производства. К примеру, в 2016 году General Electric представила новый турбовинтовой двигатель, и за счет применения 3D-печати смогла сократить количество деталей в нем с 845 до 11. Проблема 3D-печати металлами заключается в том, что зачастую при производстве металлических изделий применяется многоступенчатая механическая и термическая обработка, из-за которой они приобретают нужные свойства, но при печати провести такую обработку невозможно.

Исследователи научились печатать нержавеющей сталью, и одновременно увеличивать таким образом прочность и пластичность изделий по сравнению с производством другими методами. Для этого они использовали технологию лазерного спекания материала в заранее сформированном слое (L-PBF). При таком методе печати лазерный луч расплавляет порошок в нужных местах, перемещаясь по слою, после чего специальный аппарат формирует новый слой порошка поверх него. Ученые выбрали этот метод из-за высокой скорости затвердевания, что позволяет получать неравновесные структуры.

В качестве материала исследователи использовали хромоникелевую аустенитную нержавеющую сталь 316L. Одной из проблем при печати такой сталью является высокая пористость, из-за которой она становится малопрочной и склонной к трещинообразованию. Ученые смогли с помощью моделирования и экспериментов найти параметры лазера, при которых доля пор в конечном изделии составляет менее 0,8 процента. За счет этого они смогли получить иерархическую структуру с множеством границ и дислокаций. Проведя серию механических испытаний они выяснили, что такая структура позволила создать при одинаковом составе более прочные образцы, чем полученные с помощью литья и ковки.

Недавно NASA рассказало о создании и испытании воспламенителя жидкостного ракетного двигателя, напечатанного на 3D-принтере из двух сплавов. Предполагается, что технология печати двумя сплавами позволит использовать гораздо меньше деталей и на треть сократить затраты на производство двигателей.

Григорий Копиев