Исследователи из Сколтеха напечатали на 3D-принтере образцы из прежде не изученных сплавов стали и бронзы и определили их механические характеристики. Сочетая в себе ценные свойства обоих основных компонентов, эти новые железо-медные сплавы могут найти применение в двигателях самолётов и ракет: можно изготовить камеру сгорания, которой сталь придаст высокую жаростойкость, а бронза — необходимую теплопроводность, чтобы не допускать перегрева. Исследование опубликовано в журнале Materials & Design.

«У технологии 3D-печати большие возможности для изготовления композитов — материалов, состоящих из двух разнородных компонентов и наследующих их свойства, — рассказывает доцент Центра технологий материалов Сколтеха Игорь Шишковский. — Скажем, у стали высокая жаростойкость, и она выдерживает температуры камеры сгорания работающего двигателя. Но по теплопроводности сталь заметно уступает, например, бронзе, то есть охлаждающая жидкость не успевает забирать тепло, чтобы эффективно предотвращать перегрев. Так вот, на 3D-принтере можно сделать цельную композитную камеру с плавным, бездефектным переходом: внутри она бронзовая и потому хорошо охлаждается, снаружи — стальная, поэтому не происходит разрушения».

Шишковский руководил научной группой, которая впервые получила и исследовала сплавы бронзы и стали. Для этого учёные использовали технологию 3D-печати с прямым нанесением материала: порошкообразные ингредиенты сплавляются лазером и смешиваются непосредственно в точке изделия, которую в этот момент печатает принтер.

Строго говоря, коллектив из Сколтеха совместил бронзу и сталь двумя разными способами. Во-первых, были получены так называемые квазигомогенные сплавы, в которых два исходных материала сравнительно равномерно перемешаны. Во-вторых, были напечатаны «сэндвичные» структуры, состоящие из чередующихся 0,25-миллиметровых слоёв бронзы и стали. Кроме того, варьировалось соотношение между двумя составляющими: 50 и 75% бронзы к 50 и 25% стали соответственно. Изучалось и влияние состава самой бронзы: были испытаны алюминиевая, хромистая и оловянистая бронзы.

В ходе исследования подтвердилось, что составляющие нового железо-медного сплава хорошо смешиваются и не образуется дефектов, и были изучены структурные и механические свойства сплава.

Учёные выращивали снизу вверх вертикальные бруски и контролировали их форму, химический состав и микроструктуру. «Когда что-то идёт не так, прямо в процессе печати форма образца может заметно искажаться или он может расслаиваться. Обычно это значит, что либо используемые материалы несовместимы, либо плохо подобраны условия 3D-печати», — поясняет Шишковский.

Не выявив проблем такого рода, учёные перешли к исследованию внутренней структуры при помощи оптической и сканирующей электронной микроскопии. Для этого из разных областей каждого образца извлекали мелкие фрагменты. Наконец, основные механические характеристики были определены в ходе широкого спектра испытаний образцов, вплоть до их разрушения. Полученные при 3D-печати свойства этих материалов приводятся в научной литературе впервые.

Первый автор работы, аспирант Сколтеха Константин Макаренко, добавляет: «Теперь, когда мы знаем, что бронзу и сталь действительно можно сплавлять технологией прямого нанесения материала на 3D-принтере, и знаем механические характеристики этого нового сплава, мы можем исследовать его возможные применения. В перспективе хотелось бы изготовить и испытать в Сколтехе железо-медную камеру сгорания, но могут быть и другие изделия и комбинации металлов. Следующим этапом наших работ будет создание лопаток турбин, каналы охлаждения которых будут сделаны из бронзы, а сама лопатка — из прочного суперсплава. Ключевой момент тут — сочетание сильных сторон двух разных материалов в одном цельном изделии без швов и прочих сочленений».