Ученые нашли решение для бездефектной 3D-печати алюминием

Недавние исследования, проведенные в Университете МИСИС, привели к значительному прорыву в области аддитивного производства алюминиевых сплавов. Исследователи запатентовали уникальный метод, который предотвращает появление дефектов в микроструктуре алюминиевых сплавов, возникающих при лазерном плавлении и трехмерной печати. Это достижение открывает новые горизонты для использования алюминиевых порошков в производстве сложных деталей в таких высокотехнологичных отраслях, как космическая промышленность, транспортное машиностроение, а также в ресурсосберегающих и энергосберегающих технологиях.

Преимущества алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы занимают особое место на рынке материалов благодаря своим выдающимся характеристикам:

- Высокая прочность: Они обеспечивают надежность конструкций и долговечность изделий.

- Небольшой вес: Легкость алюминия позволяет создавать более эффективные и экономичные транспортные средства.

- Стойкость к коррозии: Это свойство делает алюминиевые сплавы идеальными для использования в различных климатических условиях, включая морские и влажные среды.

Однако несмотря на эти достоинства, их применение в аддитивном производстве сталкивается с серьёзными проблемами. В частности, склонность алюминиевых сплавов к образованию трещин при затвердевании делает невозможным печать сложных деталей. Эти дефекты, возникающие в процессе 3D-печати, могут существенно снизить качество готовой продукции, делая её непригодной для использования в критически важных областях.

Инновационный подход к обработке алюминиевых сплавов

Для решения этих задач эксперты НИТУ МИСИС разработали универсальную технологию, которая включает применение специальных модификаторов. Эти добавки способствуют ускоренному формированию твердых кристаллов и предотвращают возникновение дефектов.

«Мы впервые использовали сочетание циркония, скандия, титана и бора для обработки высокопрочных алюминиевых сплавов. Эти модификаторы эффективно измельчают зерна и препятствуют образованию столбчатых кристаллов. Новый метод позволяет предотвратить дефекты, вызванные неравномерным распределением легирующих элементов — проблемой, с которой часто сталкиваются на металлообрабатывающих предприятиях в трехмерной печати, сварке, обработке поверхности и других видах лазерного плавления», — поделилась к.т.н. Ирина Логинова, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС.

Этот подход не только улучшает качество печати, но и способствует созданию более надежных и долговечных деталей, что особенно важно для применения в условиях высокой нагрузки.

Прогрев и его значение

Дополнительная стадия прогрева плавящих областей до температур от 350 до 480°C является ключевым элементом новой технологии. Этот шаг позволяет задействовать различные механизмы работы модификаторов, использующихся в процессе.

- Улучшение однородности: Прогрев помогает достичь большей однородности в микроструктуре материала, что в свою очередь предотвращает растрескивание сплава при его охлаждении.

- Оптимизация свойств: Различные модификаторы активируются при разных температурах, что позволяет максимально эффективно использовать их индивидуальные свойства.

Такая технология создает условия для получения более прочных и пластичных материалов, что критично для их применения в производстве сложных и высоконагруженных деталей.

Результаты исследования

Исследования показали, что при добавлении модифицирующих добавок наблюдается уменьшение размера зерна в 15–30 раз как в литом состоянии, так и после лазерного плавления. Этот эффект значительно улучшает механические свойства материала, так как меньший размер зерен ведет к повышению прочности и пластичности.

«Новая технология позволит изготавливать, например, сложные части двигателей внутреннего сгорания и высокотехнологичные корпусные детали с минимальным количеством дефектов», — отметил к.т.н. Алексей Солонин, заведующий кафедрой металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС.

Эти улучшения могут привести к значительному росту качества продукции в таких отраслях, как авиация, автомобилестроение и энергетика, где требования к материалам особенно высоки.

Заключение

Разработанная технология бездефектной 3D-печати алюминием не только решает важные задачи в области аддитивного производства, но и открывает новые возможности для широкого спектра применения алюминиевых сплавов. Успех этой разработки подчеркивает важность инноваций в современном производстве и служит примером того, как наука и технологии могут продвигаться вперед, преодолевая существующие барьеры.