Разработан метод, позволяющий использовать высокопрочные алюминиевые сплавы при 3D-печати. Он основан на использовании вместе с сырьем для печати особых наночастиц, способных служить центрами кристаллизации зерен и тем самым обеспечивать отсутствие трещин при затвердевании расплава. Авторы разработки, ученые из лаборатории HRL, полагают, что их метод позволит использовать 3D-печать для создания легких и прочных деталей сложной формы в авиакосмической отрасли. Исследование опубликовано в журнале Nature.

3D-печать все чаще применяется не только в качестве средства прототипирования, но и для производства деталей сложной формы. Также появляются 3D-принтеры, печатающие металлом, а не пластиком. Но из-за особенностей кристаллизации некоторых металлов и сплавов при печати, обусловленных быстрым и неравномерным охлаждением, их пока сложно использовать в качестве сырья для изготовления изделий с высокими характеристиками.

Американские исследователи решили адаптировать для 3D-печати распространенные высокопрочные алюминиевые сплавы, известные высоким соотношением прочности и плотности — 7075 и 6061. Если использовать такие сплавы для печати без каких-либо добавок, то при кристаллизации расплава в них начнут образовываться продолговатые или дендритные зерна, а оставшийся между ними расплав при дальнейшем охлаждении затвердеет и уменьшится в объеме, из-за чего в материале образуются полости и трещины.

HRL Laboratories, LLC / YouTube

Сравнение структур, образующихся при печати без наночастиц (слева) и с наночастицами (справа). Martin et al. / Nature, 2017

Для того чтобы избежать образования такой структуры, ученые решили покрыть частицы порошка из алюминиевого сплава другими частицами гораздо меньшего размера. В поисках подходящего материала для наночастиц исследователи проанализировали огромное количество материалов. Главными критериями поиска было минимальное расхождение в периодах и типах решеток, термодинамическая стабильность в сплаве и доступность материала. В итоге ученые остановились на гидриде циркония, который при плавлении образует фазу Al₃Zr.

Множество этих наночастиц на поверхности частиц порошка служат центрами кристаллизации, которые обеспечивают образование мелких равноосных зерен и отсутствие трещин и полостей в конечном материале. С помощью этих наночастиц ученые сумели напечатать на 3D-принтере легкие, но в то же время прочные изделия из этих сплавов. Как отмечают исследователи, в будущем такой подход может быть использован и для сплавов из других металлов.

Ранее ученые из HRL Laboratories адаптировали для 3D-печати другой материал. Они научились печатать структуры из прочной и термостойкой керамики, которая выдерживает нагревание до 1700 градусов Цельсия.

Автор: Григорий Копиев