Несмотря на то, что технология 3D-печати позволяет эффективно изготавливать сложнейшие металлические детали, такие изделия нередко деформируются испытывая нагрузки и нагрев. Однако вскоре это может перестать быть проблемой благодаря новой технологии, разработанной в Массачусетском технологическом институте.

In this lab testing setup, a nickel-alloy rod is drawn up from a water bath through an induction coil. Dominic David Peache

Проблема существующих 3D-печатных металлических компонентов заключается в явлении известном как ползучесть материалов, когда постоянное механическое напряжение и высокая температура вызывают постоянную деформацию металлов. Ползучесть особенно характерна для металла, состоящего из мелких зерен, например напечатанного с помощью 3D-принтера.

Команда специалистов Массачусетского технологического института под руководством профессора Закари Кордеро разработала уникальный метод термообработки, который позволяет сделать зерна более крупными и, следовательно, менее восприимчивыми к ползучести. Такая обработка является одним из вариантов существующей технологии, известной как направленная рекристаллизация.

В ходе лабораторных испытаний 3D-печатные стержни из никелевого сплава сначала помещались в водяную ванну при комнатной температуре и располагались под индукционной катушкой, а затем медленно вытягивались с различной скоростью. При этом отдельные части стержней нагревались до температуры от 1 200 ºC до 1 245 ºC (2 192 ºF - 2 273 ºF), создавая резкий тепловой градиент внутри металла.

Этот градиент, в свою очередь, вызвал трансформацию микроскопических зерен металла в гораздо более крупные. Как следует из названия, новые гранулы принимали форму колонн, которые были выровнены по оси наибольшего напряжения металла.

Было установлено, что оптимальный эффект достигается при температуре 1 235 ºC (2 255 ºF) и скорости вытягивания 2,5 мм в час. В настоящее время ученые работают над увеличением этой скорости. Нет необходимости говорить о том, что другие комбинации, вероятно, будут работать эффективнее на других металлах. Фактически, в зависимости от предполагаемого использования 3D-печатной детали, зернистую структуру можно модифицировать в пределах одного изделия, изменяя температуру и скорость обработки.

Сейчас разработчики планируют испытать технологию на конструкциях, похожих на лопасти газовых турбин или реактивных двигателей, которые должны выдерживать постоянные механические нагрузки и высокую температуру. Если они действительно окажутся устойчивыми к ползучести, это может проложить путь к созданию более совершенных и эффективных конструкций.

"Новые геометрии лопастей и лопаток позволят разработать более энергоэффективные наземные газовые турбины, а в перспективе и авиационные двигатели", - считает Кордеро. "Такой подход может привести к снижению выбросов двуокиси углерода только за счет повышения эффективности этих устройств".

Статья об этом исследовании была недавно опубликована в журнале Additive Manufacturing.

Источники: MIT, New Atlas
1. (https://news.mit.edu/2022/3d-printed-metals-treatment-1114)
2. (https://newatlas.com/3d-printing/heat-treatment-3d-printed-metal/)