Новый титановый сплав с превосходными свойствами, полученный благодаря 3D-печати

В ходе исследования, проведенного учеными из Городского университета Гонконга (CityU), с помощью аддитивного производства был успешно разработан сверхпрочный, высокопластичный и сверхлегкий сплав на основе титана. Их открытие открывает новый путь к созданию сплавов с беспрецедентной структурой и свойствами для различных структурных приложений.

Большинство людей считают 3D-печать революционной технологией, позволяющей изготавливать детали машин сложной формы всего за один шаг. «Тем не менее, мы обнаружили, что она имеет важный потенциал в разработке материалов, а не просто в геометрическом дизайне», - сказал д-р Чжан Тяньлун, защитивший диссертацию в CityU под руководством профессора Лю Чейн-Цуаня – руководителя данного исследования.

В металлургии принято считать, что отсутствие однородности компонентов сплава нежелательно, поскольку оно приводит к ухудшению свойств металлов. Одним из ключевых вопросов в процессе аддитивного производства является устранение этой неоднородности во время быстрого охлаждения. Однако моделирование и имитационное исследование учёных показало, что определенная степень неоднородности компонентов может фактически создавать уникальные и неоднородные микроструктуры, улучшающие свойства сплава. Они попытались воплотить результаты моделирования в реальность с помощью аддитивного производства.

«Уникальные особенности аддитивного производства предоставляют нам большую свободу в разработке микроструктур», - пояснил д-р Чжан. «В частности, мы разработали метод частичной гомогенизации для производства сплавов с градиентами концентрации микрометрового масштаба с помощью 3D-печати, что недостижимо с помощью любых традиционных методов производства материалов».

Предлагаемый метод включает плавление и смешивание порошков двух различных сплавов и порошков нержавеющей стали с использованием сфокусированного лазерного луча. Управляя такими параметрами, как мощность лазера и скорость его сканирования в процессе 3D-печати, команда успешно создала неоднородный состав элементов в новом сплаве контролируемым образом.

«Помимо использования аддитивного производства, состав смеси двух порошков является еще одним ключом к созданию беспрецедентных лавовых микроструктур с высокой метастабильностью в новом сплаве», - сказал профессор Лю. «Эти уникальные микроструктуры обеспечивают высочайшие механические свойства, позволяя сплаву быть очень прочным, но пластичным и легким».

В то время как плотность нержавеющей стали обычно составляет 7,9 грамм на кубический сантиметр, плотность нового сплава составляет всего 4,5 грамма на кубический сантиметр, что приводит к снижению веса примерно на 40%. В экспериментах титановый сплав с лавоподобной микроструктурой показал высокий предел прочности на разрыв – 1,3 гигапаскалей с равномерным удлинением около 9%. Сплав также имел отличную способность к деформационному упрочнению, превышающую 300 мегапаскалей, что гарантирует большой запас прочности.

Эти превосходные свойства являются многообещающими для применения в различных отраслях, таких как аэрокосмическая, автомобильная, химическая и медицинская промышленность. Учёные предполагают применить этот метод к созданию новых сплавов с уникальными свойствами.