Усталостные разрушения материалов являются одной из главных проблем, с которыми сталкиваются в самых различных отраслях промышленности, включая авиацию, автомобилестроение и системы производства энергии. Однако, недавние исследования, проведенные Городским университетом Гонконга и Шанхайским университетом Цзяо Тун, привели к созданию алюминиевого сплава, обладающего уникальной стойкостью к усталости, с использованием передовых технологий 3D-печати.
Профессор Лу Цзянь, декан инженерного колледжа и директор Гонконгского филиала Национального исследовательского центра материаловедения драгоценных металлов, руководил этим исследованием. Он отметил, что усталостное разрушение является одной из главных проблем, влияющих на срок службы и надежность динамических механических систем. Обычные металлы, как правило, демонстрируют усталостную прочность на уровне менее половины их предела прочности на растяжение.
Недостаточная усталостная прочность обусловлена наличием масштабных дефектов в материалах, которые продолжают развиваться при циклическом нагружении, образуя трещины, которые со временем становятся все больше и приводят к разрушению структуры материала. Эта проблема особенно присуща сплавам, полученным с помощью 3D-печати, что ограничивает их применение.
Однако благодаря новому подходу, разработанному в результате совместных исследований учёных, удалось улучшить усталостную стойкость сплавов, полученных с помощью 3D-печати. Этот подход может быть применен не только к алюминиевым сплавам, но и к другим материалам, используемым в различных отраслях промышленности.
Подход заключается в использовании лазерного напыления в порошковом слое (LPBF) — одной из наиболее широко используемой технологий аддитивного производства металлов — для успешного изготовления нового алюминиевого сплава из порошков AlSi10Mg, легированного наночастицами TiB2. Усталостная стойкость этого сплава (сплав NTD-Al) более чем в два раза выше, чем у других алюминиевых сплавов, изготовленных 3D-печатью, и превосходит показатели высокопрочных деформируемых алюминиевых сплавов.
Команда использовала микрокомпьютерную томографию для исследования сплава NTD-Al и обнаружила по всему образцу непрерывную 3D-двухфазную ячеистую наноструктуру, которая состояла из сетки затвердевающих ячеистых структур со средним диаметром около 500 нанометров. 3D-двухфазная ячеистая наноструктура действует как прочный каркас, предотвращающий локальное накопление повреждений, препятствуя возникновению усталостных трещин.
В ходе серии испытаний на усталость исследовательская группа обнаружила, что напечатанный объемный сплав NTD-Al достиг усталостной прочности в 260 МПа, что более чем вдвое превышает показатели других алюминиевых сплавов аддитивного производства. Высокий предел усталостной прочности объемного сплава NTD-Al превзошел предел усталостной прочности всех других алюминиевых сплавов, включая обычные высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы с ограниченными металлургическими дефектами.
Использование передовых технологий 3D-печати позволяет создавать легкие компоненты с повышенной эффективностью нагружения, что имеет огромное значение для различных отраслей промышленности. Благодаря этой новой стратегии, разработчики смогут создавать более прочные и долговечные металлические компоненты, что приведет к улучшению надежности и срока службы механических систем.
Источник:
Чэньи Дан и др., Достижение сверхвысокой усталостной стойкости сплава AlSi10Mg с помощью аддитивного производства (Chengyi Dan et al, Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing), Nature Materials (2023). DOI: 10.1038 /s41563-023-01651-9
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться, будет ещё много таких. Есть мысли по предмету статьи и не только - приглашаю в комментарии. Также, если интересно, можете ознакомиться со страницами нашего проекта на других платформах, ссылки найдёте в описании канала. Кроме того, у меня есть страница на сервисе поддержки авторов Бусти, просто сообщаю, поддержка - дело добровольное, ссылка так же в описании канала.