Ультразвук позволяет повышать прочность 3D-печатных металлических изделий

Ученые Мельбурнского королевского технологического института (RMIT) выяснили, что ультразвуковое воздействие во время 3D-печати методом прямого лазерного осаждения позволяет получать металлические изделия повышенной прочности и даже регулировать механические характеристики отдельных участков.

Идея ультразвукового воздействия в какой-то мере позаимствована из порошковой металлургии: перед прессованием порошковые материалы нередко уплотняются с помощью ультразвуковых вибраций. Австралийская же команда провела эксперименты по ультразвуковому уплотнению прямо во время 3D-печати: идея заключается не в компактировании исходного порошка, а в изменении микроструктуры получаемых изделий.

Исследователи указывают, что изделия, получаемые лазерным спеканием металлических порошков, как правило отличаются анизотропностью — состоят из довольно больших, удлиненных кристаллов, что приводит к снижению прочности и повышает риск растрескивания во время печати. При ультразвуковом воздействии на спекаемый материал образуется более плотная и прочная микроструктура с более мелкими и равноосными зернами (см. иллюстрации). Ученые проверили идею на технологии прямого лазерного осаждения (Direct Energy Deposition, DED), где порошок напыляется на субстрат струей газа и выборочно спекается лазерным излучателем. Разница заключалась лишь в том, что к субстрату подключили сонотрод и 500-ваттный пьезоэлектрический преобразователь с частотой колебаний в 20 кГц.

Основным материалом во время исследований служил порошок титанового сплава Ti-6Al-4V. В ходе опытов команде удалось добиться повышения предела текучести и прочности на 12%. Ради чистоты эксперимента и доказательства общей применимости метода опыты повторили с жаропрочным никель-хромовым сплавом Inconel 625, получив аналогичные результаты. Что интересно, методика позволяет создавать изделия с функционально-градиентной структурой, то есть регулировать прочностные характеристики отдельных участков печатаемых изделий за счет выборочного ультразвукового воздействия.

«Хотя мы использовали сплавы на основе титана и никеля, мы ожидаем, что эта методика будет применима к другим коммерчески доступным металлопорошковым композициям, таким как нержавеющая сталь, алюминиевые и кобальтовые сплавы», — поясняет профессор Ма Цань.  

Ученые считают, что методика будет эффективна не только в связке с технологией прямого лазерного осаждения металлических порошков, но и при работе с прутковыми материалами. Но есть и ограничения: ультразвук может нарушить распределение порошка в системах селективного лазерного спекания или наплавления (DMLS и SLM), так что применительно к этим методам вероятнее всего потребуется сфокусированное воздействие непосредственно на спекаемые/сплавляемые участки.

Доклад научной команды опубликован в журнале Nature по этой ссылке. 

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.