3D-печать алюминия: прочность и жаростойкость

Алюминий ценится за лёгкость и прочность, однако при высоких температурах его механические свойства ухудшаются. Это ограничивало применение алюминиевых деталей в двигателях, турбинах и других узлах, работающих в условиях повышенных температур. Исследователи из Нагойского университета разработали инновационный метод 3D-печати металлами, позволяющий создавать новые алюминиевые сплавы, оптимизированные для высокой прочности и жаростойкости. Все новые сплавы основаны на недорогих, широко распространённых элементах и подходят для вторичной переработки. Один из вариантов сплава сохраняет прочность и гибкость даже при 300° C.

Новые алюминиевые сплавы: прорыв в 3D-печати

Суть разработки заключается в добавлении железа – элемента, который обычно избегают в алюминиевых сплавах из-за риска охрупчивания и коррозии. Однако метод лазерной порошковой плавки, являющийся одной из ключевых технологий 3D-печати металлами, обеспечивает экстремально высокие скорости охлаждения. За считанные секунды расплавленный металл кристаллизуется, создавая уникальные структуры. Быстрое охлаждение позволяет захватывать железо и другие элементы в метастабильные фазы, недостижимые при традиционных методах производства. Тщательный подбор легирующих добавок позволил получить сплавы, устойчивые к высоким температурам и обладающие повышенной прочностью.

Исследователи систематизировали процесс прогнозирования элементов, которые могут упрочнить алюминиевую матрицу или сформировать защитные микро- и наноструктуры. Экспериментально были созданы сплавы с добавлением меди, марганца и титана. Результаты были подтверждены с помощью электронной микроскопии.

Лучший сплав: алюминий, железо, марганец и титан

Наилучшие характеристики показал сплав на основе алюминия, железа, марганца и титана (Al-Fe-Mn-Ti). Он превосходит все известные 3D-печатные алюминиевые материалы, сочетая прочность при высоких температурах с гибкостью при комнатной. Этот сплав также оказался проще в 3D-печати по сравнению с традиционными высокопрочными алюминиевыми сплавами, которые часто склонны к растрескиванию и деформации в процессе изготовления.

Экологичность и перспективы

Новые материалы открывают возможности для создания более лёгких алюминиевых компонентов в узлах, подверженных воздействию высоких температур, таких как роторы компрессоров и лопатки турбин. Уменьшение веса транспортных средств способствует снижению расхода топлива и выбросов загрязняющих веществ. Аэрокосмическая отрасль также может получить значительные преимущества, поскольку авиационные двигатели требуют материалов, сочетающих лёгкость и жаростойкость.

Исследование предоставляет универсальную основу для разработки новых классов металлов, специально предназначенных для 3D-печати. Это имеет потенциал ускорить прогресс во многих отраслях промышленности.