3D-печать для особых условий.

Углубление понимания напечатанных на 3D-принтере материалов, при воздействии на них экстремальных давлений, температур и высокоскоростных ударов, остаётся важной сферой прикладных исследований. Источник.

Мир семимильными шагами развивает высокоточные электронные технологии, где наука оперирует микроскопическими размерами и токами. Это очень тонкая работа, но у нас также есть необходимость в совершенствовании материалов и конструкций для огромного множества не менее сложных высокотехнологичных процессов. Особенно это касается изделий, применяемых в экстремальных условиях.  

Чтобы производить материалы с нужными характеристиками, учёные Центра сложных систем аддитивного производства в экстремальных условиях (CAMCSE) при Университетом Алабамы в Бирмингеме (UAB) исследовали поведение 3D-печатных изделий под воздействием чрезвычайных значений давления и температуры, а также высокоскоростного удара или ударного сжатия.

Работу, опубликованную в Scientific Reports, возглавил главный исследователь CAMCSE, доктор наук Йогеш Вохра, профессор физического факультета UAB и заместитель декана по исследованиям и инновациям Колледжа искусств и наук. Он считает её своего рода вехой в сотрудничестве с другими научными организациями.

«Этот документ представляет коллективный опыт четырёх различных академических институтов, применяемый к 3D-печатным суперсплавам в экстремальных условиях, ‒ подчёркивает учёный. ‒ Работа в различных научных и инженерных дисциплинах над общей проблемой является заметным достижением и в то же время предоставляет возможности для обучения аспирантам UAB».

Результатом совместных усилий стало новое понимание поведения материалов, содержащих различные примеси, в условиях высоких давлений.

Профессор Вохра говорит, что опубликованное исследование сосредоточено на фундаментальных структурных причинах высокой прочности и пластичности сплавов, которыми ведётся печать изделий на 3D-принтере.

«В частности, то, как кристаллическая структура изменяется при высоких давлениях, может повлиять на механические свойства напечатанных на 3D-принтере сплавов, ‒ поясняет главный исследователь CAMCSE. ‒ Исследование электронной микроскопии здесь имеет важное значение, поскольку впервые установлено, что наноструктурированная слоистая структура сохраняется после воздействия давления и химический состав отдельных слоёв не меняется».

Исследователи предполагали, что корнем изучаемого вопроса могут стать наличие или отсутствие фазовых переходов, которые обычно являются критическими для твёрдых кристаллических тел. Эти переходы существенно влияют на механические, оптические, электрические и термические свойства различных материалов ‒ от металлов и сплавов до полупроводников и керамики.

Вообще аддитивные технологии производства типа лазерно-порошкового наплавления (оно же ‒ 3D-печать), при использовании композиционно сложных сплавов создают далёкие от равновесия микро- и наноструктуры. С одной стороны этим обеспечиваются механические свойства, способные превзойти обычные литые сплавы, но с другой ‒ остаются неясными вопросы, имеющие практическое производственное значение. Например, важно установить зависимости ориентации между фазой, вызванной давлением, и фазой, полученной после печати. А ещё ‒ сохраняется ли структура при деформации под высоким давлением или же происходит ли какое-либо изменение химического состава вследствие перехода фаз.

Во время проведения тестов на сжатие, для извлечения сжатого образца толщиной всего в несколько нанометров, была использована технология так называемого сфокусированного ионного пучка. Последовавшие наблюдения подтвердили необратимость фазового превращения: электронная микроскопия показала, что расположение нанопластин оставалось неизменным даже после воздействия экстремальных давлений.

То есть теперь можно целенаправленно разрабатывать материалы с нужными добавками для различных пограничных условий. Например, для экстремально высоких температур, что пригодится как в аэрокосмической промышленности, так и энергетике; для поддержания стабильности геометрии в среде чрезвычайных давлений, допустим, на сверхскоростях или в условиях высокой радиации внутри ядерных реакторов.

Профессор признаётся, что он в восторге от этой разработки, поскольку она представляет собой прогресс в понимании изменений кристаллической структуры, и сулит немало новых идей и производственных методов.

АРМК, по материалам UAB.