3D-печать металлами прочно вошла в процесс производства сложных деталей для авиации, космической техники и энергетического машиностроения. Метод лазерной порошковой плавки дает возможность создавать изделия с внутренней структурой, которую невозможно получить литьем или механической обработкой. Однако долгое время у нее оставалось важное ограничение: вся деталь обычно печаталась из одного и того же сплава.
При этом разные части одной конструкции нередко работают в непохожих условиях. Одни сталкиваются с высокими температурами, другие испытывают постоянные нагрузки или подвергаются износу. Поэтому инженеры искали способ плавно менять состав материала внутри одной детали. Оказалось, что для этого нужно просто изменить лазерный луч, а точнее — направление его движения. Поехали разбираться!
Как движение лазера влияет на состав материала
В обычной лазерной порошковой плавке источник энергии перемещается по относительно простым траекториям. Луч проходит прямые отрезки или параллельные штрихи с заданным перекрытием, расплавляя порошок и формируя небольшую область жидкого металла. Она существует лишь доли секунды, после чего материал быстро кристаллизуется. Если в расплав попадают компоненты разного состава, их распределение во многом зависит от того, насколько хорошо они успеют перемешаться.
Исследователи из NIST подошли к задаче иначе. Они не стали добавлять в принтер новое оборудование и сосредоточились на программном управлении лучом. Вместо прямолинейного сканирования источник энергии начали направлять по замкнутым эллиптическим петлям, постепенно смещающимся вперед. Такая траектория заставляет расплав интенсивнее перемешиваться, благодаря чему компоненты разных составов распределяются значительно равномернее.
Чтобы проверить метод на практике, специалисты разместили рядом порошки двух материалов: плотного тугоплавкого высокоэнтропийного RHEA-19 и титанового сплава. Через границу между ними провели луч с петлеобразной траекторией. В результате в зоне плавления образовался новый материал с более равномерным распределением компонентов. Весь процесс прошел за один цикл печати без остановки и перенастройки оборудования.
Чтобы проверить результат, исследователи наблюдали за формированием материала прямо во время его затвердевания. Для этого в Аргоннской национальной лаборатории использовали мощный источник рентгеновского излучения, позволяющий отслеживать изменения структуры в реальном времени. После этого образцы дополнительно изучили под электронным микроскопом. Исследование показало, что элементы распределились значительно равномернее и не образовали выраженных зон сегрегации.
Такой результат удалось получить не за счет нового оборудования, а благодаря изменению траектории движения лазера. Для этого исследователям пришлось написать собственный софт. Стандартные прошивки промышленных принтеров не позволяют задавать сложные петлеобразные пути с нужной точностью и синхронизацией. При этом сам подход совместим с существующими установками и не требует серьезной модернизации оборудования.
Главная проблема многокомпонентных сплавов
Когда несколько металлов оказываются в расплавленном состоянии, они не всегда смешиваются равномерно. Одни элементы распределяются быстрее, другие медленнее, поэтому в разных участках расплава состав может немного отличаться. При традиционном литье металл остывает сравнительно долго, и у компонентов есть время перемешаться. В лазерной 3D-печати все происходит гораздо быстрее: расплав существует лишь доли секунды, после чего начинает затвердевать. Если к этому моменту элементы не успели распределиться равномерно, возникшие неоднородности сохраняются уже в готовом материале.
Особенно остро эта проблема проявляется у высокоэнтропийных сплавов. Они состоят сразу из нескольких основных элементов, причем каждый влияет на свойства материала. Во время затвердевания они не всегда распределяются равномерно и могут собираться в отдельных участках. Из-за этого структура получается неоднородной, а характеристики материала ухудшаются. Быстрое охлаждение при порошковой плавке помогает сохранить более равномерное распределение компонентов, но только если расплав успел хорошо перемешаться до начала кристаллизации.
До сих пор для таких задач чаще применяли метод направленного энергетического осаждения. Он позволяет смешивать несколько материалов прямо во время печати, но хуже справляется со сложной геометрией и миниатюрными элементами. Лазерная порошковая плавка обеспечивает гораздо более высокую точность. Новый метод объединяет сильные стороны обоих подходов: сохраняет качество печати и одновременно позволяет формировать внутри детали участки с различными характеристиками.
От турбин до космических аппаратов
Подход, о котором говорилось выше, позволяет во многих случаях обходиться без сварных и механических соединений. Отсутствие резких границ в структуре помогает равномернее распределять нагрузки и снижает риск появления трещин. Особенно важно это для узлов, которые постоянно испытывают вибрации, циклические нагрузки и перепады температур.
Хороший пример — лопатка газовой турбины. Ее части испытывают совершенно разные нагрузки. Основание должно выдерживать вибрации и постоянные циклы нагрева и охлаждения. Кромки постепенно изнашиваются под воздействием потока газа и содержащихся в нем частиц. Верхняя зона находится в условиях максимального нагрева и должна сохранять прочность при экстремальных температурах. Сегодня инженерам приходится искать компромисс между всеми этими требованиями или использовать сложные сборные конструкции. Если состав материала удастся плавно изменять прямо во время печати, каждый участок можно будет лучше приспособить к своим условиям эксплуатации.
Похожие задачи встречаются и в космической технике. Элементы ракетных двигателей, теплозащитные панели и другие ответственные узлы одновременно должны быть легкими, прочными и устойчивыми к экстремальному нагреву. В одних местах важнее защита от окисления и тепловых ударов, в других — эффективный отвод тепла или минимальная масса. Возможность постепенно менять состав позволяет подстраивать свойства отдельных участков под конкретные условия эксплуатации. При этом деталь остается цельной, без соединений между разными материалами, которые со временем могут стать источником проблем.
Не менее интересны такие возможности и для энергетики. Многие элементы электростанций работают при высоких температурах, под давлением и в контакте с химически активными средами. Например, в теплообменниках и некоторых узлах реакторных установок одна часть конструкции может постоянно контактировать с агрессивным теплоносителем, тогда как другая воспринимает основную механическую нагрузку. В таких условиях одним участкам важнее стойкость к коррозии, прочим — прочность и устойчивость к нагреву. Более точная настройка свойств позволяет увеличить срок службы оборудования и снизить риск повреждений. Кроме того, нужные качества можно получать именно там, где они действительно необходимы, не используя дорогой специализированный сплав для всей детали.
Что это может изменить в производстве
Главное достоинство нового метода в том, что для него не понадобилось новое оборудование. Исследователи изменили только способ управления лазером. Если подобные режимы удастся внедрить в серийные установки, многим компаниям не придется покупать специализированные системы для работы с несколькими материалами. Правда, перед использованием в авиации или космонавтике технологию еще предстоит тщательно проверить и сертифицировать.
Этот метод может заметно упростить разработку сплавов. Сегодня для проверки очередной комбинации элементов обычно приходится заранее изготавливать специальный порошок. Такой процесс обходится недешево и затрудняет проведение большого числа экспериментов. Если смешивать компоненты прямо во время печати, исследователи смогут гораздо проще проверять перспективные варианты.
Особенно интересен этот подход для высокоэнтропийных сплавов. Число возможных комбинаций здесь огромно, а свойства будущего материала далеко не всегда можно точно рассчитать заранее. Чем проще проводить эксперименты, тем легче находить действительно перспективные варианты.
В дальнейшем управление траекторией лазера можно объединить с системами контроля процесса. Тогда датчики будут следить за состоянием расплава, а программа — автоматически менять параметры сканирования по ходу печати. Это позволит еще точнее управлять структурой материала.
Пока технология находится на раннем этапе развития, однако первые результаты выглядят обнадеживающе. Исследование показывает, что серьезный шаг вперед в металлической 3D-печати возможен не только благодаря появлению новых сплавов и принтеров, но и за счет более грамотного использования уже существующих технологий.