Печатная металлургия. Как создать нержавейку на принтере.

Микроскопическое изображение напечатанной на 3D-принтере нержавеющей стали. Цвета в левой версии изображения представляют собой различную ориентацию кристаллов в сплаве. Источник: НИСТ.

Мы живём в эпоху пластика и кремниевых технологий, но традиционные материалы вроде дерева, камня и металлов не теряют своей востребованности, а некоторые их производные и подавно – остаются просто ультимативно незаменимыми в своих сферах применения. Так, нержавеющая сталь оказывается бесценной находкой для постройки авиалайнеров, грузовых судов, атомных электростанций и других критически важных высокотехнологических конструкций, призванных выдерживать просто-таки колоссальные нагрузки.

Вообще, нержавеющих сплавов довольно много, и все они занимают свои ниши в производстве тех или иных вещей. Но этот сплав с 17-типроцентным содержанием хрома и 4-хпроцентным – никеля, производимый с помощью метода дисперсионного затвердевания, имеет особые прочностные свойства. Эту нержавейку так и маркируют: «17-4 PH», где PH – и есть обозначение метода старения и отпуска сплава, которые повышают его характеристики, их стабильность и долговечность.

Однако сталеварение – как, впрочем, и вся металлургия – процесс весьма сложный, вредный и затратный; а производство нержавеющей стали 17-4 PH – тем более, ведь эта технология куда сложнее. Однако теперь учёные-материаловеды совершили просто невероятное: они научились печатать эту высокотехнологичную сталь на 3D-принтере. Причём – сохраняя все её характеристики.

Группа исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Висконсин-Мэдисон и Аргоннской национальной лаборатории определила конкретные составы стали 17-4, которые при печати соответствуют свойствам версии, изготовленной традиционным способом, что и предстаёт главным звеном успеха исследования.

Дело в том, что несмотря на преимущества по сравнению с ним, при создании некоторых материалов методом печати результаты могут слишком сильно отличаться от желаемых. Во время 3D-печати металлом температуры быстро меняются, отчего такой метод становится ещё более сложным.  

«Когда вы думаете об аддитивном производстве металлов, мы, по сути, свариваем миллионы крошечных порошкообразных частиц в одно целое с помощью мощного источника, такого как лазер, плавим их в жидкость и охлаждаем до твёрдого состояния, – поясняет на пальцах трудности процесса Фань Чжан, физик из NIST, соавтор исследования. – Но скорость охлаждения высока, иногда превышает один миллион градусов по Цельсию в секунду, и это крайне неравновесное состояние создаёт ряд чрезвычайных проблем с измерениями».

По его словам, столь быстрые нагрев и остывание провоцируют не менее быстрые изменения в расположении или кристаллической структуре атомов, которое крайне непросто отследить. Вследствие непонимания происходящего с кристаллической решёткой во время печати, исследователи годами безуспешно, методом проб и ошибок, пытались создать сплав 17-4 PH с правильной структурой, в надежде, что однажды, материал выдаст-таки целевые свойства.

Руководствуясь столь неутешительным опытом коллег, авторы нового исследования вознамерились пролить свет на то, что же именно происходит во время быстрых изменений температур, и найти наконец способ привести внутреннюю структуру к мартенситу (так называется тип с правильной кристаллической структурой).

Исследователям требовалось специальное оборудование для наблюдения за быстрыми изменениями в структуре, происходящими за миллисекунды – примерное подобие высокоскоростной камеры, с помощью которой можно рассмотреть взмахи крыльев колибри. Такая стратегия, основанная на высокоскоростных данных о процессе печати, могла бы быть получена, например, с помощью рентгеновского высокоэнергетического излучения от ускорителя частиц. В использовании инструмента для работы в синхротронной рентгеновской дифракции (XRD) и нашёлся выход, описанный в журнале Additive Manufacturing.

«В XRD рентгеновские лучи взаимодействуют с материалом и формируют сигнал, похожий на отпечаток пальца, соответствующий конкретной кристаллической структуре материала», – говорит Ляньи Чен, профессор машиностроения в Университете Вашингтона в Мэдисоне и соавтор исследования.

Исследование проводилось в Advanced Photon Source (APS) – ускорителе частиц, длиной 1100 метров, который расположен в Аргоннской национальной лаборатории. Авторы заметили, как кристаллическая структура менялась в процессе печати, а также то, как управление определёнными факторами вроде состава металлического порошка, влияли на весь процесс.

Лекарство от неудачи заключалось в том, что, хоть железо и является основным компонентом стали 17-4 PH, но в состав сплава может входить до дюжины различных химических элементов, причём в различных количествах. Получив чёткую картину структурной динамики в качестве руководства, учёные смогли точно настроить состав начального сырья, чтобы, лавируя в протекающих в процессе печати изменениях, получить законченный рецепт приготовления сплава, включающего железо, никель, медь, ниобий и хром, которые сделали бы своё дело, наделив результат целевыми свойствами.

«Управление составом действительно является ключом к 3D-печати сплавов. Управляя составом, мы можем контролировать, как он затвердевает. Мы также показали, что в широком диапазоне скоростей охлаждения, скажем, от 1000 до 10 миллионов градусов Цельсия в секунду, наши составы неизменно приводят к полностью мартенситной стали 17-4 PH», – утверждает Чжан.

В качестве бонуса к открытию добавилось ещё кое-что любопытное: некоторые составы привели к образованию наночастиц, повышающих прочность, что при традиционном методе потребовало бы повторного нагрева. Это означает, что 3D-печать материалов как производственная технология позволяет пропустить весьма ресурсоёмкий шаг, требующий спецоборудования, дополнительного времени и затрат.

Механические испытания полностью подтвердили соответствие прочности печатной стали характеристикам образцов, полученных традиционными способами. Этот успех может способствовать сокращению затрат и повышению гибкости в производстве деталей из нержавейки 17-4 PH. Однако подход, использованный для изучения материала в этом исследовании, также может помочь лучше понять, как печатать другими типами материалов и прогнозировать их свойства и характеристики.

Да, новое исследование может произвести фурор и за пределами сталелитейной промышленности. Применение XRD для оптимизации 3D-печати раскрывает информацию, которая будет полезна при создании и тестировании компьютерных моделей, призванных спрогнозировать качество практически любых печатных деталей.

«Наши 17-4 надёжны и воспроизводимы, что снижает барьер для коммерческого использования. Если они будут следовать этому составу, производители должны иметь возможность печатать структуры 17-4, которые так же хороши, как детали, изготовленные традиционным способом», – подытожил Чен.

АРМК, по материалам NIST.