Термообработка улучшила баланс прочности и пластичности 3D-печатной алюминиевой бронзы

Ученые Сколковского института науки и технологий, Санкт-Петербургского государственного морского технического университета и других научных организаций нашли способ улучшить баланс между механической прочностью и пластичностью напечатанных на 3D-принтере изделий из алюминиевой бронзы. Этот сплав меди и алюминия с небольшой добавкой железа — перспективный материал для аддитивного производства теплообменников для охлаждения электронных компонентов, сообщает пресс-служба Сколтеха.

Снимок порошка алюминиевой бронзы, сделанный при помощи сканирующего электронного микроскопа. Этот порошок сплава меди, алюминия и железа использовался в качестве сырья для 3D-печати образцов, исследованных в работе

«Теплообменник — это устройство, отводящее тепло от процессора или других тепловыделяющих компонентов. Чтобы хорошо справляться со своей задачей, он должен быть изготовлен из материала с высокой теплопроводностью и иметь правильную геометрию. Напечатанная на 3D-принтере алюминиевая бронза обеспечивает удачное сочетание тепловых свойств и контроля над геометрией, однако сам процесс печати может приводить к неоптимальным механическим характеристикам. Это особенно важно для электроники, применяемой в ракетах и других аппаратах, подверженных ударным и вибрационным нагрузкам, а также многократным термическим и механическим воздействиям», — рассказала аспирантка программы «Математика и механика» Сколтеха Анастасия Филиппова.

Чистая медь обладает исключительно высокой теплопроводностью, но по этой причине и из-за высокой отражающей способности плохо совместима с лазерными порошковыми 3D-принтерами, оснащенными инфракрасными излучателями. Кроме того, высокая пластичность меди делает тонкие детали склонными к деформациям под механическими нагрузками. Легирование меди десятью процентами алюминия и одним процентов железа помогает исправить оба недостатка, но ценой снижения теплопроводности. Также быстрое затвердевание в процессе 3D-печати может приводить к локальным колебаниям химического состава и неравновесной фазовой структуре, отрицательно влияющим на прочность и пластичность изделий.

Когда сканирующая электронная микроскопия подтвердила наличие неравновесных участков в микроструктуре 3D-печатных образцов алюминиевой бронзы, научный коллектив предположил, что стандартный метод термической постобработки материала может решить проблему неоднородности.

«Напечатанные на 3D-принтере материалы всегда несколько отличаются по микроструктуре от того же самого сплава, полученного другими методами. Из-за этого нет гарантий, что проверенный метод вроде термической постобработки сработает. Более того, он может даже ухудшить свойства материала. Или может потребоваться тонкая настройка параметров нагрева — это как раз наш случай», — рассказал доцент Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин.

Поскольку стандартных протоколов термической постобработки алюминиевой бронзы после 3D-печати не существовало, ученые опробовали сразу три варианта нагрева, выдержав образцы в электропечи в течение трех часов при температуре 300°С, 400°С и 500°С. Затем обработанные изделия сравнили друг с другом и с алюминиевой бронзой, которая не подвергалась дополнительным воздействиям после 3D-печати.

Оказалось, что термообработка при 300°С и при 400°С приводит к появлению неравновесных фаз, снижающих пластичность и делающих сплав более хрупким. Нагрев до 500°С градусов, напротив, уменьшает химическую неоднородность и способствует диффузионным процессам, формируя более стабильную микроструктуру и хороший баланс прочности и пластичности.

Снимки сканирующей электронной микроскопии, показывающие поверхность излома напечатанных на 3D-принтере образцов алюминиевой бронзы после механических испытаний. Три столбца соответствуют образцам, прошедшим термообработку при неоптимальных (слева и в центре) и оптимальной (справа) температуре

В дальнейшем научная команда планирует изучить влияние термообработки на тепловые характеристики материала. Если окажется, что термообработанный сплав сохраняет достаточно высокую теплопроводность, то испытанный режим постобработки можно будет рекомендовать для производства аддитивных компонентов терморегулирования в силовой электронике.

Результаты исследования опубликованы в издании Journal of Alloys and Compounds.

Источник: Сколковский институт науки и технологий

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.