Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Дамасскую сталь напечатали на 3D-принтере

Kürnsteiner et al. / Nature, 2020

Немецкие материаловеды напечатали на 3D-принтере современный аналог дамасской стали. Характерной слоистой структуры с чередованием более мягких и жестких слоев удалось добиться с помощью циклического нагрева и охлаждения железно-никелевого сплава с добавками титана. Полученные сплавы выдерживают нагрузку до 1,3 гигапаскаля — это заметно больше, чем у материалов такого же состава полученных традиционным путем. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

3D-печать металлами —процесс послойного создания изделий из металлического порошка, который плавится под действием лазера. При этом во время нанесения последующих слоев предыдущие слои, которые уже затвердели, вновь нагреваются. Поскольку современные методы печати позволяют контролировать температуру с высокой точностью, такие циклы нагрева и охлаждения не вредят материалу, наоборот их можно использовать для его дополнительной обработки — например, для улучшения прочности.

В прошлом году немецкие материаловеды из Институт исследования железа Общества Макса Планка под руководством Филиппа Кюрштайнера (Philipp Kürnsteiner) показали, что при повторном нагреве железо-никель-алюминиевого сплава происходит осаждение никеля-алюминия, в результате материал становится более прочным. В новом исследовании ученые применили эту технологию для создания современного аналога знаменитой дамасской стали.

Дамасская сталь имеет специфическую слоистую структуру с чередованием более мягких и более жестких слоев, что делает изделия из нее одновременно очень прочными и пластичными. Для создания слоистой структуры кузнецы использовали сплавы железа с различным содержанием углерода, которые соединяли с помощью многократного складывания и проковывания — ученые же решили воспроизвести этот эффект с помощью циклического нагрева и охлаждения материала в процессе 3D-печати.

За основу авторы работы взяли железно-никелевый сплав с добавкой титана состава Fe19Ni5Ti (цифры обозначают массовые доли металлов в сплаве), который получали из двух коммерчески доступных порошков: из титана и из железно-никелевого сплава. Для формирования расплава использовали инфракрасный лазер с длиной волны 976 нанометров и диаметром пучка 1,8 миллиметра — с его помощью можно нагреть сплав вплоть до 700 градусов Цельсия. После нанесения одного или нескольких слоев лазер выключали на определенный промежуток времени — за это время материал успевал остыть. Во время охлаждения и последующего нагрева в образце формировались тонкие — толщиной порядка нескольких сотен нанометров — слои более темной стали. 

Механические испытания показали, что эти темные слои приблизительно на 30 процентов тверже, чем промежуточные более светлые. Авторы предложили этому следующее объяснение: при охлаждении сталь частично переходит из формы аустенита (высокотемпературной гранецентрированной модификации железа и сплавов на его основе) в форму мартенсита (пересыщенного твердого раствора на основе α-железа с объемно-центрированной кристаллической решеткой). При последующем нагреве в мартенситной фазе происходит образование никель-титановых дендритов — разветвленных микроструктур размером порядка десяти нанометров. Такие микроструктуры препятствуют деформации материала, делая его более твердым. 

Таким образом тонкий темный слой — это та часть предыдущего слоя, которая успевает нагреться во время нанесения последующего слоя. Темный свет вызван по всей видимости большей шероховатостью поверхности, то есть более интенсивным рассеянием света. Интересно, что по результатам элементного анализа среднее содержание никеля и титана в темных светлых слоях оказалось почти одинаковыми, просто в светлых слоях эти элементы были распределены равномерно, а в темных образовывали дендриты.

Авторы экспериментировали с различными промежутками охлаждения, а также количеством слоев, которые наносили между охлаждениями и проверяли, как изменяется структура и свойства полученного материала. Оказалось, что ключевым условием для образования характерной слоистой структуры является охлаждение материала ниже 195 градусов Цельсия — именно при такой температуре начинается переход в фазу мартенсита для данного материала. Время, необходимое для этого, в свою очередь, зависит от времени предшествующего нагрева — если наносили четыре слоя материала подряд, то для охлаждения нужно около 120 секунд, а если только один слой, то достаточно 90 секунд.

Полученные материалы продемонстрировали отличные механические свойства. В частности, образец стали, который охлаждали на 90 секунд после нанесения каждого слоя, выдерживал нагрузку 1,3 гигапаскаля — это на 20 процентов больше, чем образец, который был получен стандартным способом без охлаждения и сравнимо с образцами классической дамасской стали.

Ранее австралийские физики научились печатать сплавом титана, одновременно воздействуя на него ультразвуком. Такая обработка изменила структуру сплава и увеличила его прочность на 12 процентов.

Наталия Самойлова

Примечание

В первоначальной версии новости в первом и предпоследнем абзаце была неправильно указана прочность материала. Правильно - 1,3 гигапаскаля (не 1,3 мегапаскаля). Редакция приносит извинения за ошибку.



Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.