Ученые разработали самый прочный и дешевый титановый сплав для 3D-печати
Титановые сплавы давно завоевали заслуженную популярность благодаря уникальному сочетанию прочности, легкости, устойчивости к коррозии и биосовместимости. Поэтому сплавы титана широко применяются для создания фюзеляжей самолетов, деталей реактивных двигателей, протезов суставов, зубных имплантатов, корпусов судов и даже клюшек для гольфа.
Однако, несмотря на столь широкое распространение в промышленности, в технологиях 3D-печати по-прежнему используется только устаревший на данный момент сплав Ti-6Al-4V (он же сплав 6−4 или титан grade 5), а котором помимо титана присутствуют алюминий и ванадий. Это прочный, жесткий и устойчивый к усталостным нагрузкам материал, но у него есть существенный недостаток: в процессе 3D-печати в нем могут формироваться столбчатые зерна. Это означает, что напечатанные детали будут прочными в одном направлении, но уязвимыми или нестабильными в других. Чтобы компенсировать эту особенность, инженерам часто приходится добавлять в конструкцию дополнительные опорные элементы, что существенно повышает стоимость производства и усложняет его.
Доктор Райан Брук из Университета RMIT считает, что возможности 3D-печати используются недостаточно. По словам ученого, мы словно изобрели самолет, но продолжаем ездить на нем по дорогам. Вместе с командой коллег, Брук предложил новый подход к прогнозированию структуры зерен в металлах, созданных с помощью аддитивных технологий (3D-печати). Этот метод может стать основой для проектирования новых, более эффективных титановых сплавов.
В течение трех лет ученые анализировали три ключевых параметра, влияющих на зернистую структуру сплавов:
ΔTs (диапазон неравновесной кристаллизации) — температурный интервал, в котором металл затвердевает при неравновесных условиях.
Q (фактор ограничения роста) — скорость образования «конституционного переохлаждения» на начальном этапе кристаллизации.
P (параметр конституционного переохлаждения) — общий потенциал кристаллизации новых зерен на всем протяжении процесса затвердевания, а не только в начале.
Эксперименты подтвердили, что именно параметр P является наиболее точным индикатором для выбора легирующих элементов, которые позволят получить прочную и стабильную структуру титановых сплавов при 3D-печати. Это открытие позволяет не только ускорить разработку новых материалов, но и значительно снизить затраты за счет уменьшения количества экспериментов и пробной печати.
Опираясь на полученные результаты, ученые разработали собственный титановый сплав для 3D-печати, производство которого обходится на 29% дешевле по сравнению со стандартным титаном. Ученым удалось добиться не только однородной структуры нового материала, но и существенно повысить его прочность и пластичность.
Новый материал однозначно найдет свое применение в самых разных сферах промышленности. Более дешевое и эффективное производство деталей позволит сократить издержки на их изготовление и обслуживание, что особенно важно в условиях растущего спроса на легкие и прочные материалы.
Тем временем ученые создали математический алгоритм для прогнозирования свойств и структуры металлического сплава за считанные минуты, что позволит существенно ускорить разработку инновационных материалов.
