3D-печать дамасской стали. Изменить микроструктуру отдельных слоев металла

3D-печать дамасской стали. Изменить микроструктуру отдельных слоев металла

3D-принтеры для аддитивного производства стали стандартом во многих отраслях промышленности всего за несколько лет. Новая технология 3D-печати позволяет создавать слои с различными свойствами. Дамасская сталь — и ее современные версии — фактически, синоним художественной ковки. Стальную заготовку тысячи раз сгибают и сплющивают, чтобы получить красивые узоры. Однако смысл процесса не только в эстетике — перемежающиеся слои мягкой, но гибкой и жесткой, но хрупкой стали дают оптимальный эффект. Обычно таким сложным методом изготавливали мечи, которые не тупились. Кельтские кузнецы объединили различные железные сплавы (возможно, первоначально только для переработки ценного железа) и таким образом получили материал, который позже стал известен как дамасская сталь.В то время как индийский и арабский булат был создан с помощью сложного процесса плавки, европейские кузнецы развили искусство складывания двух сплавов во множество тонких слоев. Слоистую структуру дамасской стали обычно можно узнать по характерному рисунку.

3d-pechat-damasskoj-stali-1.jpg


Для того чтобы напечатать имитацию дамасской стили, инженеры из Института Макса Планка использовали сплав никеля, титана и железа, который хорошо зарекомендовал себя в 3D-печати. «Нам удалось изменить микроструктуру отдельных слоев во время 3D-печати, чтобы конечный компонент имел желаемые свойства - и все это без последующей термической обработки стали», - говорит Филипп Кюрнштайнер, постдокторский исследователь в MPIE. Металлический порошок наносится слой за слоем и нагревается лазером. Быстрое охлаждение ведет к формированию кристаллической структуры, как и в случае закаливания стали. Но последующее нагревание приводит к осаждению микроскопических частиц никеля-титана-железа внутри стали, что значительно повышает твердость изделия. Луч лазера позволяет не только плавить материал, но и нагревать верхний слой уже растворенного металла. Это именно то, что команда исследователей Макса Планка в Дюссельдорфе специально использовала для изменения кристаллической структуры стали в отдельных металлических слоях и, таким образом, влияла на механические свойства без изменения химического состава. При определенных условиях образуются мелкие никель-титановые микроструктуры. Они укрепляют материал. Подвергаясь механическим воздействиям, они препятствуют движению внутри кристаллической решетки, что характерно для пластической деформации.

Чтобы иметь возможность создавать никель-титановые структуры, исследователи прерывают процесс печати на определенное время после каждого вновь нанесенного слоя. Металл остывает до температуры ниже 195°C. «Ниже этой температуры в стали происходит трансформация кристаллической структуры», - объясняет Эрик Ягле, руководитель группы «Сплавы для аддитивного производства» в Max-Planck-Institut für Eisenforschung и с января 2020 года профессор в университете Бундесвера Мюнхен. «Формируется так называемая мартенситная фаза, и только на этой фазе могут быть созданы никель-титановые микроструктуры». Однако для того, чтобы образовались осадки, необходим повторный нагрев.

Этот дополнительный эффект, вызванный лазерным лучом 3D-принтера, называется внутренней тепловой обработкой. Слои, которые были непосредственно покрыты следующим слоем без перерыва, остаются более мягкими, потому что они еще не представлены в качестве мартенсита в этой точке. Впервые исследователи смогли создать композитный материал, состоящий из слоев с различными свойствами, из одного исходного материала непосредственно в процессе производства. Kürnsteiner впечатлен механическими свойствами материала, полученного таким образом: «Испытания подтверждают превосходное сочетание прочности и пластичности». Многочисленные параметры процесса подходят для воздействия на микроструктуры во время 3D-печати. Ягле объясняет, что в дополнение к времени паузы, которое варьируется в данном исследовании, образование мартенсита и последующее упрочнение осадков также можно контролировать, изменяя энергию лазера, фокусировку лазера или скорость печати, а также методы внешнего нагрева и охлаждения.

Тщательно проанализировав первый напечатанный образец под микроскопом и даже составив атомную карту слоев, исследователи убедились, что смогли добиться желаемого результата. Затем они поэкспериментировали с временем отключения лазера и прочими факторами, влияющими на конечный продукт. Ученые провели испытание на прочность двух напечатанных образцов: одного кубика «дамасской» стали и одного — обычной, однослойной стали. Многослойный оказался заметно прочнее, выдержав на 20% больше растягивающего усилия. Хотя он не достиг показателей дамасской стали, выкованной традиционным способом, предложенный метод позволяет повысить прочность стали быстрее и дешевле.

3d-pechat-damasskoj-stali-2.jpg


Исследователи подчеркивают, что дамасская сталь с ее периодически меняющимися слоями является лишь одним из примеров локального влияния на микроструктуру сплава в процессе производства. Например, одинаково возможно создавать компоненты инструмента с непрерывным мягким внутренним слоем, окруженным твердым, стойким к истиранию внешним слоем. По словам исследователей, также возможно использовать технологию для локальной настройки других свойств, таких как устойчивость к коррозии.

«Эта технология открывает новые возможности для настройки локальных микроструктур определенным образом во время аддитивного производства даже сложных деталей и делает ненужной последующую обработку», - говорит Кюрнштайнер. Исследователь также предлагает сменить парадигму: «До сих пор обычной практикой было использование обычных сплавов в 3D-печати. Однако многие известные стали не оптимально подходят для аддитивного производства. Наш подход заключается в разработке новых сплавов, которые могут использовать весь потенциал 3D-печати».

Источник: naukatehnika.com

Поделиться ссылкой:

Другие Новости: