Как лазер меняет структуру металла

Проблема становится преимуществом

Во время обработки металла лазером в пределах миллисекунд возникает температура более 2 500°C. При этом некоторые компоненты сплавов могут испариться из зоны воздействия. Исследователи Междисциплинарного швейцарского научно-исследовательского института прикладных материаловедческих наук и технологий (Empa), рассматривая эту проблему, нашли возможность для создания новых сплавов с уникальными свойствами и внедрения их в 3D-печатные металлические заготовки с точностью до микрон.

На рисунке похожая по окраске на леопарда деталь состоит из 16 квадратов, из которых 8 имеют магнитные свойства. В эксперименте использовалась 3D-печать металлическим порошком по методу LPBF. При этом различные свойства на локальных участках удалось создать лишь за счет изменения мощности и длительности работы лазера.

Исследовательская группа Empa, которую возглавляют Ариан Араби-Хашеми (Aryan Arabi-Hashemi) и Кристиан Лейненбах (Christian Leinenbach), использовала нержавеющую сталь P2000, которая содержит около 1% азота. Эта сталь не вызывает аллергии и хорошо подходит для применения в медицине. В зоне плавления лазерного луча температура быстро повышается, и большая часть азота внутри металла испаряется, меняя свойства стали.

Исследователи сумели превратить эту проблему в преимущество. Они меняли скорость сканирования лазера и интенсивность лазерного луча, который расплавляет частицы в слое металлического порошка, и таким образом, изменяли размер и температуру жидкого расплава. Выяснилось, что при большой площади бассейна расплава большее количество азота испаряется из сплава, и затвердевающая сталь кристаллизуется с высокой долей намагничиваемого железа, а при маленькой площади бассейна расплавленная сталь твердеет гораздо быстрее, и азот остается в сплаве; сталь кристаллизуется, в основном, в виде немагнитного аустенита.

Сплав с памятью формы

Эксперимент позволяет разработать новую технологию обработки металлов. «При 3D лазерной печати мы можем легко достичь температуры более 2 500°C на местном уровне», - говорит Лейненбах. – Это позволяет нам целенаправленно испарять различные компоненты сплава, например, марганец, алюминий, цинк, углерод и другие – и таким образом локально изменять химический состав сплава».

Технология может быть полезна для многих других сплавов, например, некоторые никелево-титановые сплавы (от 0,1 процента никеля в смеси) при определенной температуре «запоминают» свою запрограммированную форму. Это можно использовать при создании медицинских стентов.

Металл для электродвигателя будущего

Возможность получения различных композиций сплавов с микрометрической точностью в одном компоненте также может использоваться при проектировании более эффективных электродвигателей. Впервые появилась возможность построить статор и ротор электродвигателя из магнитно-тонкоструктурированных материалов и тем самым более эффективно использовать геометрию магнитных полей.

Металлическая 3D-печать позволяет создавать детали сложных геометрических форм с минимальным расходом материала. Теперь появляется возможность менять химический состав, физические и магнитные свойства различных частей изделия, упрочняя его в тех местах, где имеется повышенная нагрузка.

Источник: Empa