Прочнее стали

Трехмерная печать в настоящее время чаще всего применяется для создания изделий из пластмасс и пористой стали, материала, который не годится для элементов конструкций, требующих особой прочности. В недавнем номере журнала Nature Materials исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (Lawrence Livermore National Laboratory) в США сообщили о методе 3D-печати прочной и податливой нержавеющей стали, что может ускорить и удешевить процесс изготовления чего угодно — от ракетных двигателей до частей ядерных реакторов или буровых вышек, отмечает Sciencemag.org. Нержавеющая сталь, изобретенная около 150 лет назад, по-прежнему остается одним из самых широко используемых материалов. Она производится плавлением обычной стали — сочетание железа с углеродом, а иногда и другими металлами, например, с никелем — с добавлением хрома и молибдена, которые предотвращают коррозию и появление ржавчины. Сложная последовательность этапов охлаждения, повторного нагревания и прокатки наделяет материал микроструктурой с плотно упакованными зернами сплава и разделяющими их межзеренными границами, которые создают некое подобие кристаллической решетки. Когда такой металл оказывается под давлением или подвергается деформации, плоскости атомов в зернах как бы наезжают друг на друга, что приводит к нарушению кристаллической структуры с образованием трещин. 

Пытаясь создать прочную, но при этом податливую нержавеющую сталь, инженеры 3D-печати напыляли слой частиц металлического сплава на плоскую поверхность. Это происходило с участием мощного лазерного пучка, который распределял порошок по поверхности под контролем компьютера. Частицы под воздействием лазера плавились и сливались друг с другом. Через некоторое время таким же образом напыляли следующий слой, и процесс нагрева лазером повторялся, соединяя новый расплавленный материал с нижним слоем. Повторными наслоениями можно создавать изделия сложных форм, но проблема была в том, что на микроскопическом уровне напечатанная нержавеющая сталь обычно получалась высокопористой. Это снижает ее прочность и делает хрупкой. Несколько лет назад Юньминь Ван — Yinmin (Morris) Wang — с коллегами по Ливермору попробовал использовать лазерное напыление с последующим быстрым охлаждением, и в таком процессе частицы металлического сплава сливались в плотной укладке. Сейчас материаловеды модифицировали подход, сделав его управляемым компьютерной программой не только для создания плотных слоев нержавеющей стали, но и для более строго контроля структуры материала в пределах от нано- до микронного масштабов. Испытания показали, что напечатанная таким образом сталь прочти в три раза прочнее произведенной по обычной технологии.