Новости
Ученые Сколтеха определили оптимальный режим SLM 3D-печати алюминиевой бронзой
Фото: Freepik
Исследователи из Сколковского института науки и технологий и других научных организаций России и Индии провели системное исследование процесса селективного лазерного сплавления алюминиевой бронзы. Этот материал перспективен для применения в компонентах, работающих в условиях интенсивного теплового воздействия и требующих эффективного отвода тепла, например в теплообменниках, охлаждаемых элементах энергетических установок и корпусах силовой электроники, сообщает пресс-служба Сколтеха.
Алюминиевая бронза обладает более высокой теплопроводностью, чем сталь и титан, и при этом превосходит чистую медь по технологичности в аддитивном производстве, однако 3D-печать медными сплавами сопряжена с двумя фундаментальными проблемами — высокой отражательной способностью материала и быстрым отводом тепла. Это приводит к образованию дефектов — пор несплавления, когда частицы порошка не успевают полностью расплавиться, и так называемой пористости типа замочной скважины, возникающей из-за образования в расплаве глубоких паровых воронок.
В ходе экспериментов ученые варьировали плотность энергии (от 125 до 938 Дж/мм³), изменяя мощность лазера (90-150 Вт) и скорость сканирования (100-600 мм/с). Выявлено, что при низкой плотности энергии преобладают поры несплавления, а при высокой — поры типа замочной скважины, характерные для нестабильных режимов глубокого проплавления. Общий уровень пористости оставался на уровне порядка пяти процентов во всех режимах.
Несмотря на наличие остаточной пористости, образцы продемонстрировали механические характеристики, превышающие показатели литой алюминиевой бронзы. Предел прочности составил 748 МПа, а относительное удлинение при разрыве — 16,2%, что приближается к параметрам никель-алюминиевой бронзы, традиционно используемой в тяжелонагруженных узлах.
«Нам удалось показать, что даже при использовании оборудования с ограниченной мощностью лазера можно добиться механических свойств, близких к промышленным никель-алюминиевым бронзам. Ключевым фактором оказалось не просто повышение энерговклада, а понимание механизмов перехода между дефектами различного типа. Это позволяет прогнозировать свойства материала еще на этапе подбора параметров 3D-печати», — рассказал доцент Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин.
Особое внимание авторы уделили изменению фазового состава. В процессе сверхбыстрой кристаллизации, характерной для лазерного сплавления, обнаружены фазы, нетипичные для равновесной структуры алюминиевой бронзы — прослойки типа Al₂Cu и наночастицы Cu₃Fe. Повышение плотности энергии приводит к уменьшению фазы, вносящей основной вклад в твердость и прочность материала, но оказывающей негативное влияние на электро- и теплопроводность. Эти структуры и фазы формируются на скоростях охлаждения до 10⁷ К/с и влияют на тепловые характеристики и баланс прочности и пластичности.
«С помощью комплексного подхода — от исследования микроструктуры различными методами микроскопии до измерения физических и механических характеристик — мы установили прямую корреляцию между плотностью дислокаций, теплопроводностью и электропроводностью. Оказалось, что с ростом энерговклада плотность дислокаций снижается и происходит перераспределение алюминия в структуре, что ведет к повышению теплопроводности, но без видимого ухудшения механических характеристик. При этом пористость оказывает незначительный эффект», — рассказала аспирантка программы «Математика и механика» Сколтеха Анастасия Филиппова.
Измерения теплопроводности проводились в широком диапазоне температур — от 5 до 575 К — с использованием двух независимых методов — cистемы измерения физических свойств (PPMS) и лазерного флэш-анализа. Авторы показали, что теплопроводность образцов, полученных с высокой плотностью энергии, достигает 47 Вт/(м·К) при комнатной температуре, что близко к значениям для литого материала, но при значительно более высокой прочности.
Все новости о нацпроекте «Средства производства и автоматизации» можно прочитать в нашем тг-канале: https://t.me/sredstva_proizvodstva
И в нашей группе во ВКонтакте: https://vk.com/fgup_crp
