Сплав, называемый нержавеющей сталью 17-4 с дисперсионным твердением (PH), впервые стало возможным печатать на 3D-принтере, сохраняя все ее высокие прочностные характеристики. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Группа исследователей в США – из Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Висконсин-Мэдисон и Аргоннской национальной лаборатории определила конкретные составы смесей для стали 17-4 PH, которые при 3D-печати соответствуют свойствам материалов, изготовленных традиционным способом. Это стало возможным за счет анализа данных, полученных с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения от ускорителя частиц.
Несмотря на свои преимущества по сравнению с традиционным производством, 3D-печать некоторых материалов может давать результаты, которые слишком противоречивы для определенных приложений. Печать металлоизделий особенно сложна, отчасти из-за того, что температура во время процесса быстро меняется.
«В аддитивном производстве металлов, по сути, миллионы крошечных порошкообразных частиц сплавляются в одно целое с помощью мощного источника, такого как лазер, расплавляя их в жидкое состояние и затем охлаждая при затвердевании. Но скорость этих процессов высока, иногда превышает один миллион градусов по Цельсию в секунду, и это крайне неравновесное состояние создает ряд чрезвычайных проблем», – пояснил физик NIST Фань Чжан, один из ведущих авторов исследования.
Специалисты прежде всего стремились пролить свет на то, что происходит во время быстрых изменений температуры, и найти способ привести внутреннюю структуру к типу, называемому «мартенситом», чтобы материал демонстрировал свои наиболее востребованные свойства. Ранее попытки 3D-печати сверхпрочных сталей терпели неудачи именно по этой причине.
Теперь ученые нашли правильный инструмент – замеры синхротронной рентгеновской дифракции (XRD). С помощью ускорителя частиц длиной 1100 метров в Аргоннской национальной лаборатории, авторы исследования во время печати облучали образцы стали высокоэнергетическим рентгеновским излучением.
«В XRD рентгеновские лучи взаимодействуют с материалом и формируют сигнал – точный идентификатор, соответствующий конкретной кристаллической структуре материала», – объяснил Ляньи Чен, профессор машиностроения в Университете Вашингтона в Мэдисоне и соавтор исследования.
Хотя железо является основным компонентом стали 17-4 PH, в состав сплава может входить до дюжины различных химических элементов в различных количествах. Исследователи, получив в качестве руководства четкую картину структурной динамики во время печати, смогли точно настроить нужный набор составов смеси для 3D-печати, в конечном итоге имитирующий оригинальный состав изделия, включающий только железо, никель, медь, ниобий и хром.
«Это является ключом к 3D-печати сплавов. Управляя составом, мы можем контролировать, как он затвердевает. Мы также показали, что в широком диапазоне скоростей охлаждения, скажем, от 1000 до 10 миллионов градусов Цельсия в секунду, наши составы неизменно приводят к полностью мартенситной стали 17-4 PH», отметил Чжан.
В качестве бонуса некоторые опробованные составы привели к образованию наночастиц, повышающих прочность, которые при традиционном методе требуют охлаждения стали, а затем повторного нагрева. Другими словами, 3D-печать может позволить производителям пропустить шаг, который требует специального оборудования, дополнительного времени и производственных затрат.
Механические испытания показали, что сталь, напечатанная на 3D-принтере, с ее мартенситной структурой и наночастицами, придающими прочность, соответствует прочности стали, полученной традиционными способами.
«Наши методики печати изделий из стали 17-4 надежны и воспроизводимы, что снижает барьер для коммерческого использования», – подчеркнул Чен. Для авиалайнеров, грузовых судов, атомных электростанций и других критически важных технологий прочность и долговечность имеют важное значение. Поэтому многие из них содержат конструкции из чрезвычайно прочного и устойчивого к коррозии типа нержавеющей стали 17-4 PH.