В исследовании, проведенном учеными из Городского университета Гонконга (CityU), был успешно разработан сверхпрочный, высокопрочный и сверхлегкий сплав на основе титана с использованием аддитивного производства, широко известного как 3D-печать. Их результаты открывают новый путь к разработке сплавов с беспрецедентной структурой и свойствами для различных конструкционных применений.
Исследовательскую группу возглавлял профессор Лю Чен-Цуань, заслуженный профессор Университета в Инженерном колледже и старший научный сотрудник Гонконгского института перспективных исследований CityU (HKIAS). Эксперименты проводил доктор Чжан Тяньлун, постдок кафедры материаловедения и инженерии (MSE). Их статья, в которую также внес свой вклад президент Вэй Куо из CityU, была недавно опубликована в престижном научном журнале Science под названием «Разработка на месте усовершенствованного титанового сплава с модуляцией концентрации с помощью аддитивного производства«.
3D-печать: не просто технология формообразования
Большинство людей рассматривают 3D-печать как революционную технологию, которая позволяет изготавливать детали машин сложной формы всего за один шаг. «Тем не менее, мы показали, что он обладает важным потенциалом в проектировании материалов, а не просто в проектировании геометрии», — сказал доктор Чжан, который в начале этого года защитил докторскую диссертацию в CityU под руководством профессора Лю.
Металлурги склонны думать, что отсутствие однородности в компонентах сплава нежелательно, поскольку это приводит к плохим свойствам, таким как хрупкость. Одним из ключевых вопросов в процессе аддитивного производства является то, как устранить эту неоднородность при быстром охлаждении. Но предыдущее исследование доктора Чжана по моделированию и моделированию показало, что определенная степень неоднородности компонентов на самом деле может создавать уникальные и неоднородные микроструктуры, которые улучшают свойства сплава. Поэтому он попытался воплотить эти результаты моделирования в реальность с помощью аддитивного производства.
Проектирование уникальных микроструктур
«Уникальные особенности аддитивного производства предоставляют нам большую свободу в проектировании микроструктур», — объяснил доктор Чжан, который также является первым автором статьи. «В частности, мы разработали метод частичной гомогенизации для получения сплавов с градиентами концентрации в микрометровом масштабе с помощью 3D-печати, что невозможно при любых обычных методах изготовления материалов».
Предлагаемый ими способ включает плавление и смешивание двух различных порошков сплавов и порошков нержавеющей стали с использованием сфокусированного лазерного луча. Контролируя такие параметры, как мощность лазера и скорость его сканирования в процессе 3D-печати, команда успешно управляемым образом создала неоднородный состав элементов в новом сплаве.
«В дополнение к использованию аддитивного производства, состав смеси двух порошков является еще одним ключом к созданию беспрецедентных лавоподобных микроструктур с высокой метастабильностью в новом сплаве»,-сказал профессор Лю. «Эти уникальные микроструктуры обеспечивают высочайшие механические свойства, что позволяет сплаву быть очень прочным, но пластичным и легким по весу».
-
Результаты экспериментов показывают, что новый титановый сплав обладает превосходными механическими свойствами. -
Лавоподобная микроструктура из титанового сплава с 3D-печатью, разработанная исследовательской группой во главе с Городским университетом Гонконга. -
Результаты экспериментов показывают, что новый титановый сплав обладает превосходными механическими свойствами.
Новый сплав: на 40% легче и сверхпрочен
В то время как нержавеющая сталь обычно составляет 7,9 грамма на кубический сантиметр, новый сплав составляет всего 4,5 грамма на кубический сантиметр, что примерно на 40% облегчает вес. В их экспериментах титановый сплав с лавоподобными микроструктурами продемонстрировал высокую прочность на растяжение ~1,3 гигапаскаля при равномерном удлинении около 9%. Он также обладал превосходной способностью к упрочнению более 300 мегапаскалей, что гарантирует большой запас прочности до разрушения, полезный в конструкционных приложениях.
«Эти превосходные свойства являются перспективными для конструкционных применений в различных сценариях, таких как аэрокосмическая, автомобильная, химическая и медицинская промышленность», — сказал профессор Лю.
«Как первая команда, которая использует 3D-печать для разработки новых сплавов с уникальными микроструктурами и свойствами, мы будем в дальнейшем применять эту дизайнерскую идею к различным системам сплавов для дальнейшего изучения других свойств новых сплавов«, — добавил он.
источник techxplore.com (автоматический перевод с помощью яндекс переводчик)
