«Морские сорта» нержавеющей стали получили свое название и ценятся за то, что обладают повышенной устойчивостью к агрессивной среде и не подвержены коррозии в условиях постоянного нахождения в морской воде. Такая нержавейка получила широкое распространение не только в судостроительной отрасли, но и в нефтегазовой промышленности, химического оборудования, медицинских имплантатах и при хранении отходов ядерной энергетики. Однако обычные технологии повышения прочности этого класса нержавеющей стали делают это за счет снижения пластичности.
Исследователи Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) вместе с сотрудниками Национальной лаборатории Эймса, Технологическим университетом Джорджии и Университетом штата Орегон добились прорыва в трехмерной печати одной из наиболее распространенных форм нержавеющей стали — низкоуглеродистой типа 316L, что обещает непревзойденную комбинацию высокопрочных и высокопластичных свойств для распространённого сплава. Результаты исследования было опубликовано 30 октября в интернет журнале Nature Materials.
«Для того, чтобы все компоненты, которые вы пытаетесь напечатать оказались востребованными, вы должны поддерживать по крайней мере такие же свойства материала как у полученных методами традиционной металлургии», — пишет ведущий автор исследования Моррис Ван. «Мы смогли выполнить 3D-печать реальных компонентов в лаборатории с нержавеющей сталью 316L, и качество материала было по факту лучше, чем у традиционного подхода. Это действительно большой скачек. Это делает 3D-производство нержавеющей стали очень привлекательным».
Ван отмечает, что методология может открыть двери для широкомасштабной трехмерной печати сложных компонентов из нержавеющей стали, особенно в аэрокосмической, автомобильной и нефтегазовой отраслях, где необходимы сильные и прочные материалы, чтобы выдерживать экстремальные нагрузки в сложных условиях.
Исследователи заявили, что начало промышленной 3D-печати «морской» марки из низкоуглеродистой нержавеющей стали (316L) может иметь широкомасштабные последствия для таких отраслей, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и нефть и газ. Ученые смогли преодолеть основное узкое место технологии, ограничивающее потенциал трехмерной печати высококачественных металлов, а именно пористость, возникающую при лазерной сплавке металлического порошка, которая могла привести к браку деталей и их поверхностному разрушению. Исследователи добились равномерности сплава с помощью процесса оптимизации плотности, включающего эксперименты и компьютерное моделирование, а также путем манипулирования микроструктурой материалов.
«Эта микроструктура, которую мы разработали, нарушает традиционный барьер преодоления барьеров прочности и пластичности», — сказал Ванг. «Для стали — вы хотите сделать ее прочнее, но вы теряете пластичность, вы не можете повысить обе характеристики. Но с трехмерной печатью мы можем переместить эту границу за пределы текущего компромисса».
Используя две разные машины для сварки с использованием лазерного порошкового слоя, исследователи напечатали тонкие пластины из нержавеющей стали 316L для механических испытаний. По словам исследователей, технология лазерного плавления по своей природе приводит к иерархическим ячеистым структурам, которые могут быть настроены на изменение механических свойств.
Исследователь Томас Воизин, внесший основной вклад в работу, выполнил обширные характеристики трехмерных печатных металлов с момента вступления в Лабораторию в 2016 году. Он считает, что исследование может дать новое представление о структуре и свойствах материалов, изготовленных из порошка.
«Деформация металлов в основном контролируется тем, как наноразмерные дефекты движутся и взаимодействуют в микроструктуре», — сказал Войсин. «Интересно, что мы обнаружили, что эта ячеистая структура действует как фильтр, позволяя некоторым дефектам свободно перемещаться и, таким образом, обеспечивать необходимую пластичность, блокируя другие дефекты, чтобы обеспечить прочность. Наблюдение этих механизмов и понимание их сложности теперь позволяет нам думать о новых способах контроля механических свойств этих трехмерных печатных материалов».
Ван сообщил, что проект стал результатом многих лет моделирования и экспериментов, выполненных в Лаборатории в трехмерной печати металлов, чтобы понять связь между микроструктурой и механическими свойствами. Он назвал нержавеющую сталь «системой суррогатного материала», которая могла бы использоваться для других типов металлов.
Конечной целью, по его словам, является использование высокопроизводительных вычислений для проверки и прогнозирования будущей производительности нержавеющей стали с использованием моделей для управления лежащей в основе микроструктурой и изучения способов создания высокопроизводительных сталей, в том числе коррозионностойких. Затем исследователи рассмотрят использование аналогичной стратегии с другими более легкими сплавами, которые более хрупки и склонны к излому.