Исследовательская группа из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) и других научных организаций России и Индии провела системное исследование процесса селективного лазерного плавления 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. Результаты открывают возможность производить сложные по форме компоненты с помощью селективного лазерного плавления, которые по прочности и теплопроводности не уступают традиционным литым аналогам, а по ряду характеристик превосходят их.
Алюминиевая бронза (Cu-9.5Al-1Fe) обладает более высокой теплопроводностью, чем сталь и титан, и при этом превосходит чистую медь по технологичности в аддитивном производстве. Однако печать медных сплавов 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 глубокой паровой воронки в расплаве, которая нестабильна и оставляет после застывания металла пустоты.
В ходе эксперимента ученые варьировали плотность энергии (от 125 до 938 Дж/мм³), изменяя мощность лазера (90-150 Вт) и скорость сканирования (100-600 мм/с). Было установлено, что при низкой плотности энергии преобладают поры несплавления, а при высокой — поры типа типа замочной скважины, характерные для нестабильного режима глубокого проплавления. При этом общий уровень пористости оставался на уровне около 5% во всех режимах. Результаты опубликованы в журнале Materials Characterization.
Несмотря на наличие остаточной пористости, образцы продемонстрировали механические характеристики, превышающие показатели литой алюминиевой бронзы. Предел прочности составил до 748 МПа, а относительное удлинение — до 16,2%, что приближается к параметрам никель-алюминиевой бронзы (Ni-Al-Bronze), 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 печати», — поделился доцент Центра технологий материалов Сколтеха и соавтор работы Станислав Евлашин.
Особое внимание в работе авторы уделили изменению фазового состава. В процессе сверхбыстрой кристаллизации, характерной для лазерного плавления, были обнаружены фазы, нетипичные для равновесной структуры алюминиевой бронзы: прослойки типа Al₂Cu и наночастицы Cu₃Fe. Также было показано, что увеличение плотности энергии приводит к уменьшению фазы, вносящей основной вклад в твердость и прочность материала, но которая оказывает негативное влияние на электро- и теплопроводность. Эти структуры и фазы формируются благодаря скоростям охлаждения до 10⁷ К/с и влияют на баланс прочности и пластичности, а также тепловые характеристики.
«С помощью комплекса подходов — 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 тем не менее без видимого ухудшения механических характеристик. При этом пористость оказывает незначительный эффект», — рассказала Анастасия Филиппова, первый автор работы, аспирант программы «Математика и механика» в Сколтехе.
Измерения теплопроводности проводились в широком диапазоне температур — от 5 до 575 К — с использованием двух независимых методов — PPMS и лазерный флэш-анализ. 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.