3D-печать позволяет легко изготавливать металлические детали со сложной структурой и пониженной массой, что делает её чрезвычайно привлекательной для высокотехнологичного оборудования следующего поколения, например, летательных аппаратов и космических кораблей, где важны снижение массы и интеграция компонентов. Однако металлические детали, изготовленные методом 3D-печати, как правило, имеют серьёзный недостаток — низкую усталостную прочность, то есть склонны к образованию усталостных трещин при циклических нагрузках, что существенно ограничивает их применение в ключевых областях. Недавно группа исследователей под руководством Чжан Цзэфэна и Чжан Чжэньцзюнь из Института металлов Китайской академии наук (IMR, CAS) разработала новую технологию послепечатной обработки для 3D-печати. Титановый сплав, полученный с использованием этой технологии NAMP, демонстрирует беспрецедентную усталостную стойкость при различных коэффициентах асимметрии цикла нагружения, а его комплексные усталостные характеристики превосходят все известные металлические материалы, тем самым устраняя одно из главных препятствий на пути применения 3D-печати в высокоточных и передовых областях. Соответствующие результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
В начале 2024 года команда разработала новый процесс NAMP, позволяющий точно контролировать внутреннюю структуру и дефекты материалов. Ti-6Al-4V — один из наиболее широко применяемых титановых сплавов, получаемых этим методом, — позволяет устранить как микропоры, так и грубые микроструктуры, которые являются основными причинами усталостного разрушения. Этот новый материал установил мировой рекорд по «удельной усталостной прочности» при условии коэффициента напряжения «растяжение–растяжение».
Однако реальные детали, такие как лопатки авиационных двигателей и шасси, подвергаются чрезвычайно сложным условиям напряжённого состояния, включая не только циклы «растяжение–растяжение», но и циклы «растяжение–сжатие», то есть коэффициент напряжения является переменным. Различные коэффициенты напряжения могут вызывать различные механизмы повреждения внутри материала. Микроструктуры традиционных титановых сплавов зачастую имеют ограничения: они демонстрируют хорошие эксплуатационные характеристики лишь при определённых конкретных значениях коэффициента напряжения, но могут показывать пониженные характеристики при изменении этого коэффициента. Это делает крайне затруднительным создание материала, способного обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики во всех рабочих условиях.
Столкнувшись с этой более сложной задачей, исследовательская группа выявила несколько слабых звеньев в титановых сплавах, склонных к усталостному растрескиванию, а также режимы напряжений, при которых они возникают. С использованием процесса NAMP им удалось получить почти лишенные пор структуры, изготовленные методом 3D-печати, позволяющие одновременно оптимизировать все слабые звенья. Этот титановый сплав, полученный методом 3D-печати, обладает свойством сохранять высокую усталостную прочность при полном диапазоне коэффициентов асимметрии цикла напряжений.
Экспериментальные данные показывают, что при усталостных испытаниях при различных коэффициентах асимметрии цикла напряжений усталостная прочность этого нового материала не только превосходит усталостную прочность всех титановых сплавов, но и его «удельная усталостная прочность» в целом превосходит аналогичный показатель всех металлических материалов, установив новый мировой рекорд.
EN