Инновационный дизайн титанового сплава с захватывающими свойствами благодаря 3D-печати


Исследовательская группа под руководством ученых из Городского университета Гонконга (CityU) успешно разработала сверхпрочный, высокопластичный и сверхлегкий сплав на основе титана с использованием аддитивного производства, широко известного как 3D-печать. Их открытия открывают новый путь к созданию сплавов с беспрецедентной структурой и свойствами для различных структурных приложений.

Исследовательскую группу возглавил профессор Лю Чейн-Цуань, заслуженный профессор инженерного колледжа и старший научный сотрудник Гонконгского института перспективных исследований CityU (HKIAS). Доктор Чжан Тяньлун, постдоктор Департамента материаловедения и инженерии (MSE), проводил эксперименты. Их статья, в которой также участвовал президент CityU Вэй Куо, недавно была опубликована в престижном научном журнале. Наукапод названием «Конструирование на месте усовершенствованного титанового сплава с модуляцией концентрации путем аддитивного производства».

3D-печать: не просто технология формообразования

Большинство людей считают 3D- революционной технологией, позволяющей изготавливать детали машин сложной формы всего за один шаг. «Тем не менее, мы обнаружили, что у него есть важный потенциал в разработке материалов, а не просто в геометрическом проектировании», – сказал д-р Чжан, получивший докторскую степень в CityU под руководством профессора Лю в начале этого года.


Металлурги склонны думать, что отсутствие однородности компонентов сплава нежелательно, поскольку оно приводит к плохим свойствам, таким как хрупкость. Одним из ключевых вопросов в процессе аддитивного производства является устранение этой неоднородности во время быстрого охлаждения. Но предыдущее исследование, проведенное доктором Чжаном и имитационным моделированием, показало, что определенная степень неоднородности компонентов может фактически создавать уникальные и неоднородные микроструктуры, улучшающие свойства сплава. Поэтому он попытался воплотить эти результаты моделирования в реальность с помощью аддитивного производства.

Создание уникальных микроструктур

«Уникальные особенности аддитивного производства предоставляют нам большую свободу в разработке микроструктур», – пояснил доктор Чжан, который также является первым автором статьи. «В частности, мы разработали метод частичной гомогенизации для производства сплавов с микрометровыми градиентами концентрации с помощью 3D-печати, что недостижимо любыми традиционными методами производства материалов».

Предлагаемый ими 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».