Технологии трехмерной печати металлом используются в настоящее время все шире и шире буквально с каждым днем. При их помощи создаются узлы реактивных двигателей, детали автомобилей, самолетов и другой техники. Однако, потенциал технологии еще очень далек от полного раскрытия, для технологий трехмерной печати подходит лишь небольшая часть из нескольких тысяч видов металлов и сплавов, используемых сейчас в промышленности. А в большей части металлов и сплавов, подвергающихся процессу быстрого плавления при помощи света лазера и последующего быстрого охлаждения, возникают раковины, трещины и масса других дефектов.
Однако, исследователи из лаборатории HRL Laboratories, Калифорния, выяснили, что добавление наночастиц определенного типа в металлический порошок препятствует возникновению дефектов во время процесса трехмерной печати. И расширение номенклатуры используемых для печати металлов и сплавов может обеспечить появление множества новшеств в самых различных областях, начиная от космической отрасли и заканчивая биомедициной.
Во время своих исследований ученые из лаборатории HRL сосредоточились на нескольких видах алюминиевых сплавов, которые легки и одновременно прочны, как сталь. Для процесса трехмерной печати требуется, чтобы металл был измельчен в порошок, который наносится тонким слоем на поверхность будущего изделия. Луч мощного лазера плавит частички металлического порошка, которые сплавляются с общей массой материала и формируют монолит. Однако, на практике дело обстоит несколько иначе, интенсивный нагрев и быстрое охлаждение заставляют зернышки металлического порошка плавиться неравномерно и формировать зерна с нечеткими формами, что иногда приводит к появлению полостей и микротрещин.
Исследователи использовали специальную компьютерную программу для проведения анализа более 4.5 тысяч комбинаций различных сплавов и различных видов наночастиц, которые, по мнению ученых, должны стабилизировать процесс трехмерной печати, что, в свою очередь, должно увеличить прочность создаваемых деталей. Наночастицы должны выступать для металла, имеющего совместимость на атомарном уровне с материалом наночастиц, чем-то вроде капелек воды, вокруг которых формируется оболочка из частичек пыли при падении на землю.
Теоретические расчеты показали, что для большинства алюминиевых сплавов идеальным стабилизатором являются частицы из циркония, стабилизированного водородом. И найденная комбинация была тут же проверена на практике. “Мы были удивлены тем, что все это отлично сработало сразу с первого раза” – пишут исследователи, – “Мы исследовали физику процесса и выяснили, что когда жидкий металл подходил к точке кристаллизации, из него формировалось “зерно” с наночастицей в центре. Это приводило к более равномерному процессу охлаждения материала, что препятствовало возникновению микротрещин и прочих дефектов”.
Исследователи считают, что подобный подход может быть использован не только для обеспечения высококачественной трехмерной печати сплавами алюминия, но и для печати другими металлами, для которых потребуется лишь найти соответствующие им наночастицы-стабилизаторы. И после этого при помощи трехмерной печати можно будет производить детали, способные выдерживать огромные нагрузки, к примеру, лопатки турбин и другие компоненты гиперзвуковых реактивных двигателей.