3D-друк може легко виготовляти металеві деталі складної структури з властивостями зниженого вагового навантаження, що робить його надзвичайно привабливим для наступного покоління високотехнологічного обладнання, такого як літаки та космічні апарати, які прагнуть зменшення маси та інтеграції. Однак металеві деталі, виготовлені за допомогою 3D-друку, загалом мають критичний недолік — погану втомну міцність, тобто схильні до утворення втомних тріщин під циклічним навантаженням, що серйозно обмежує їх використання в ключових галузях. Недавно група дослідників під керівництвом Чжан Цзєфена та Чжан Чженьцзюнь із Інституту металознавства Китайської академії наук (IMR, CAS) розробила нову технологію післяобробки для 3D-друку. Титановий сплав, отриманий за допомогою цієї технології NAMP, демонструє небачену раніше стійкість до втоми за різних умов коефіцієнта напруження, а його загальна втомна міцність перевершує всі відомі металеві матеріали, що таким чином усуває одну з головних перешкод для застосування технології 3D-друку в галузях високої точності та передових технологій. Відповідні результати досліджень опубліковані в журналі Science Advances.
На початку 2024 року команда винайшла новий процес NAMP, який дозволяє точно керувати внутрішньою структурою та дефектами матеріалів. Ti-6Al-4V — один із найпоширеніших титанових сплавів, отриманих цим процесом, — здатен усунути як мікропори, так і грубі мікроструктури, що є основними причинами втоми матеріалу. Цей новий матеріал побив світовий рекорд за «питомою міцністю на втому» за умов коефіцієнта напруження «розтяг–розтяг».
Однак реальні деталі, такі як лопатки двигунів літаків і шасі, піддаються надзвичайно складним умовам навантаження, що включають не лише «розтяг-розтяг», а й сценарії «розтяг-стиск», тобто коефіцієнт напруження є змінним. Різні коефіцієнти напруження можуть спричиняти різні механізми пошкодження всередині матеріалу. Мікроструктури традиційних титанових сплавів часто мають обмеження: вони добре працюють лише за певних конкретних значень коефіцієнта напруження, але можуть показувати погані результати при зміні цього коефіцієнта. Це ускладнює виробництво матеріалу, який мав би добре функціонувати за всіх експлуатаційних умов.
Стикаючись із цією складнішою задачею, дослідницька група виявила кілька слабких ланок у титанових сплавах, схильних до втомного руйнування, та режими напруження, за яких вони виникають. За допомогою процесу NAMP вони отримали тривимірні друковані структури, майже позбавлені пор, що дозволяє одночасно оптимізувати всі слабкі ланки. Цей тривимірний друкований титановий сплав має властивість зберігати високу втомну міцність у режимі повного діапазону коефіцієнтів напруження.
Експериментальні дані показують, що в тестах на втому при різних коефіцієнтах напруження втомна міцність цього нового матеріалу не лише перевершує втомну міцність усіх титанових сплавів, а й його «питома втомна міцність» загалом перевершує аналогічний показник усіх металевих матеріалів, встановлюючи новий світовий рекорд.
EN