Австралийские физики напечатали деталь сплавом титана, воздействуя не него ультразвуком. Такое воздействие изменило структуру сплава и увеличило его прочность на 12%. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Существует много разных методов аддитивного производства (3D-печати), которые основаны на наплавлении небольших порций металла. Например, электронно-лучевая плавка — метод плавления металлического порошка лазерным лучом. Расплавленный лазером металл ложится на поверхность тонкими пластами, слой за слоем наращивая высоту будущей детали.
Один из существенных недостатков послойного наплавления — анизотропия внутренней структуры сплава напечатанной детали (кристаллики сплава вытянуты вдоль направления печати). Она вызвана неравномерным распределением температуры заготовки в процессе печати и приводит к ухудшению деформационных характеристик изделия.
Группа физиков во главе с Кармело Тодаро (Carmelo Todaro) из Мельбурнского королевского технологического университета смогла решить эту проблему. Площадку, на которой происходит процесс печати сплавом Ti-6Al-4V, они облучили ультразвуком с частотой 20 килогерц. Группа напечатала одну пластинку титана с применением ультразвука, а вторую — без него. Сравнив их структуру, ученые увидели значительные различия. Кристаллы пластины, облученной ультразвуком, не только перестали быть вытянутыми, но и уменшились в размере примерно в четыре раза.
Структура пластинок титана. (a) Пластинка, напечатанная без ультразвука. (b) Пластинка, напечатанная с ультразвуком. (с) и (d) - увеличения (a) и (b) соответственно.
Carmelo Todaro et al. / Nature communications, 2020
Такая структура материала делает его прочнее по сравнению с обычной печатью. Физики исследовали предел прочности (механическое напряжение, выше которого происходит разрушение) и предел текучести (напряжение, при котором деформации растут без увеличения нагрузки) каждой пластины. Оказалось, что оба предела для заготовки, напечатанной с ультразвуком, выше на 12 процентов.
Универсальность своего метода физики продемонстрировали повторив печать для никелевого сплава Inconel 625. Его структура оказалась аналогичной той, что была получена в случае с титановым сплавом.
Диаграмма деформирования титановых образцов. Синяя линия — без ультразвука. Красная линия — с ультразвуком.
Carmelo Todaro et al. / Nature communications, 2020
Ученые считают, что ультразвук способен улучшить структуру и других сплавов, например, кобальта или алюминия. Ультразвуковая техника печати может быть использована в промышленном производстве деталей из различных сплавов для существенного увеличения их прочности. Физики умеют печатать на 3D-принтере далеко не только детали из сплавов. Швейцарские ученые разработали метод печати стекол разных составов. А сингапурские — напечатали шоколадную конфету с начинкой.
Олег Макаров