Ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали новый метод 3D-печати, который позволяет создавать сверхпрочные высокоэнтропийные сплавы с равномерной структурой. Ключевая идея технологии — управляемое лазерное «перемешивание» металлов прямо в процессе печати.

Изображение: Argonne National Laboratory

В обычной металлургии высокоэнтропийные сплавы (HEA) считаются крайне сложными в производстве. В отличие от традиционных материалов, где есть основной металл и небольшие добавки, такие сплавы состоят из нескольких элементов в сопоставимых пропорциях. Это дает им высокую прочность, термостойкость и устойчивость к экстремальным условиям, но одновременно создает проблему: при затвердевании разные металлы стремятся разделиться, образуя неоднородную структуру и снижая прочность материала.

Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали технологию лазерного порошкового 3D-спекания. Обычно лазер в таких системах движется по строго заданным траекториям, формируя слой за слоем. Команда NIST перепрограммировала процесс: лазер стал двигаться по петлеобразным траекториям, создавая в расплавленном металле эффект вихря. По сути, он начал «перемешивать» жидкий металл во время плавления, не давая компонентам расслаиваться.

Для реализации этого подхода ученым пришлось разработать собственное программное обеспечение, поскольку стандартные промышленные системы 3D-печати не поддерживают подобные сложные траектории движения лазера. При этом сама технология не требует изменения оборудования — достаточно обновления управляющего софта.

Эффективность метода проверили на сложной комбинации материалов — высокоэнтропийном сплаве RHEA-19 и титане. Процесс формирования структуры наблюдали в Аргоннской национальной лаборатории с помощью установки Advanced Photon Source, которая генерирует рентгеновское излучение, примерно в сотни миллиардов раз более интенсивное, чем в медицинских рентген-аппаратах. Результаты показали, что лазерное «перемешивание» обеспечивает равномерное распределение элементов в сплаве.

Разработка открывает путь к новому подходу в производстве металлов — так называемой «печати сплавов по запросу». Вместо использования заранее приготовленных порошков конкретного состава в будущем можно будет загружать базовые металлы и формировать нужный сплав прямо в процессе печати, аналогично тому, как принтер смешивает краски для получения нужного цвета.

Это может существенно изменить производство деталей для авиации, энергетики и космической отрасли. В перспективе станет возможным создавать изделия с градиентными свойствами — когда разные части одной детали обладают разными характеристиками, например, прочностью или термостойкостью, без необходимости соединять отдельные элементы механически.

iXBT прочитано 998 раз