3D-печать сделала нержавеющую сталь в разы прочнее обычного

Говоря о 3D-печати, мы обычно имеем в виду продукты из пластика, хотя известны принтеры, способные использовать металлы, кулинарные смеси и бетон. Однако такой «простой» материал, как нержавеющая сталь, считается крайне неудобным для новых технологий печати. Дело в его внутренней микроструктуре: нержавеющая сталь комбинирует железо, углерод и никель с антикоррозионными добавками хрома и молибдена и проходит сложную обработку в целой серии плавок. В результате образуется пластичный материал, состоящий из плотно упакованных микрокристаллов сплава, при этом прочные границы, соединяющие частицы, обеспечивают ему достаточную прочность.

Воспроизвести эту структуру методами 3D-печати ученые пытаются не первый год. Как правило, для этого микрочастицы сплава наносят на подложку и спекают лазером, и так слой за слоем формируют сложное изделие. Однако такие продукты оказываются более пористыми, нежели изготовленные традиционными методами – выплавкой или прессованием. Поры делают структуру более ломкой, так что использовать удобства 3D-печати для производства металлических изделий удается далеко не всегда.

Лишь теперь Моррису Вангу (Morris Wang) из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) и его коллегам удалось получить 3D-печатную низкоуглеродистую нержавеющую сталь (316L), прочность которой даже превосходит сплав, изготовленный обычными методами. Статья ученых опубликована в журнале Nature Materials, коротко о ней рассказывает пресс-релиз LLNL. Для этого лазерное спекание при формировании каждого слоя изделия завершается быстрым охлаждением, которое заставляет кристаллы сплава упаковываться более плотно, укрепляет соединяющие их «стенки» и делает материал прочнее.

Кроме того, авторы усовершенствовали компьютерные алгоритмы, управляющие процессом печати, добившись более точного контроля над структурой материала на микро- и даже наноуровне. Эти меры сработали: лабораторные эксперименты показали, что полученная 3D-печатью нержавеющая сталь при некоторых нагрузках втрое превосходит стандартные значения для этого материала.

«Деформации в металлах во многом задаются смещениями наноразмерных дефектов и их взаимодействием с микроструктурой, – говорит один из авторов работы Томас Войсин (Thomas Voisin). – Мы обнаружили, что образующаяся “клеточная структура” [сплава, – NS] действует как “фильтр”, позволяя одним дефектам двигаться свободно – что обеспечивает нужную пластичность, а другие блокируя – что делает материал прочным».