Новий клас сплавів нікелю і кобальту

Новий клас сплавів нікелю і кобальту
Аддитивне виробництво суперсплавів на основі кобальт-нікелю (CoNi) методами електронно-променевого плавлення (EBM) і селективного лазерного плавлення (SLM). Мікрофотографії, отримані за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM), металевого порошку сплаву SB - CoNi-10, використаного для a) EBM і b) випробувань SLM-друку простих геометричних форм (c, d), надрукованих для випробувань на одновісний розтяг; і складні геометричні форми, такі як лопатки прототипу турбіни з e) внутрішніми охолоджувальними каналами або f) тонкими платформами.

Дослідницька група з Санта-Барбари створила суперсплав, яким можна друкувати на 3D-принтері.

Технологія друку інженерних об’єктів складної форми за допомогою лазерного або електронного променю з’явилася лише кілька років тому. Адитивне виробництво (або 3D-друк) включає в себе плавлення і спікання порошку, що складається з гранул розміром близько 1/10 піщинки. Лазер або потік електронів створює з цих гранул щось на зразок субміліметрового басейну з розплавленим металом. Сфокусовані промені забезпечують точний контроль за процесом плавлення і дозволяють підлаштовувати властивість матеріалів в критичних точках. Проблема полягає лише в тому, що більшість металевих сплавів з унікальними властивостями не сумісні з адитивними процесами – вони можуть тріснути в процесі друку об’єкта або в твердому стані, коли виріб буде піддано термічній обробці.

Вчені з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі у співпраці з Carpenter Technologies і Оук-Ріджської національної лабораторії (ORNL) створили новий клас сплавів на основі нікелю і кобальту і ще кількох елементів в якості добавок.

Це рішення дозволяє виготовляти широкий клас виробів, що працюють в особливих умовах. Тепер на промислових 3D-принтерах можна друкувати монокристалічні лопатки турбін вентиляторів і лопатки газових турбін авіадвигунів, які тривалий час працюють при температурі понад 1000 градусів.

В останні роки стало можливим використовувати лазерні та електронні промені для «друку» інженерних об’єктів складної форми, які не можуть бути досягнуті під час звичайного виробництва. Процес адитивного виробництва (AM) або тривимірний друк металевих матеріалів включає плавлення і сплав дрібних частинок порошку – кожна приблизно в 10 разів дрібніше піщинки з пляжу – в субміліметрових «калюжах», створених фокусуванням на матеріалі лазерного або електронного променя.

«Сфокусовані промені забезпечують точний контроль, дозволяючи «налаштовувати» властивості в критичних місцях друкованого об’єкта, – розказала Треза Поллок, професор матеріалів і заступник декана інженерного коледжу Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі. – На жаль, багато сучасних металевих сплавів тепер використовуються в надзвичайно теплоємних і хімічно агресивних середовищах, що зустрічаються в енергетиці, космосі і ядерній техніці, несумісні з процесом AM».

«Більшість високоміцних сплавів, які застосовуються в екстремальних умовах, не можуть бути надруковані, тому що тріскаються, – продовжив Поллок, заслужений професор матеріалознавства ALCOA. – Вони можуть тріснути в рідкому стані, коли об’єкт ще друкується, або в твердому стані після того, як матеріал буде вилучено і піддано деякій термічній обробці».

Тепер в статті в журналі Nature Communications, Поллок, у співпраці з Carpenter Technologies, Oak Ridge National Laboratory, штатними вченими UCSB Крісом Торбетом і Гаретом Сьюард, доктором філософії UCSB, студентами Шон Мюрреєм, Кірою Пуш і Ендрю Полонски описують новий клас суперсплавів, які долають проблему розтріскування і, отже, мають величезні перспективи для виробництва складних одноразових компонентів в умовах високих навантажень.

Дослідження було підтримано стипендією факультету Ванневара Буша (VBFF) на суму 3 мільйони доларів, яку Поллок отримав від Міністерства оборони США в 2017 році. VBFF є найпрестижнішою нагородою Міністерства оборони для окремих дослідників, що підтримує фундаментальні дослідження.

У статті автори описують новий клас високоміцних, стійких до дефектів і придатних для тривимірного друку суперсплавів, що визначаються як сплави на основі нікелю, які зберігають цілісність матеріалу при високих температурах. Ці нові суперсплави містять приблизно рівні частини кобальту (Co) і нікелю (Ni), а також меншу кількість інших елементів. Ці матеріали підходять для тривимірного друку з використанням електронно-променевого плавлення (EBM), а також для більш складних методів лазерного порошкового друку, що робить їх затребуваними для безлічі друкарських машин, які виходять на ринок.

Робота Поллока в цій області в рамках NSF проводилася у співпраці з колегами-професорами матеріалів UCSB Карлосом Г. Леві та Антоном Ван дер Вен, що включало розробку та інтеграцію набору обчислювальних і високопродуктивних інструментів для проектування сплавів, необхідних для дослідження великого простору багатокомпонентних композицій, необхідних для відкриття нових сплавів. Обговорюючи нову статтю, Поллок також відзначив важливу роль спільного дослідницького середовища в Інженерному коледжі, який зробив цю роботу можливою.