Нередко во многих отраслях промышленности — авиации, машиностроении, строительстве — требуются так называемые градиентные материалы.

В исследовании использован 3D-принтер, работающий по методу лазерной наплавки. Фото предоставлено PR-службой Сколтеха.

Магнитные свойства металлического стержня непрерывно меняются с парамагнитных на ферромагнитные и обратно из-за изменения относительного содержания компонентов сплава — нержавеющей стали 316L и алюминиевой бронзы Cu-12Al-2Fe. Рисунок (с изменениями) из статьи: Dubinin O. N., Chernodubov D. A. et al. Gradient soft magnetic materials produced by additive manufacturing from non-magnetic powders. Journal of Materials Processing Technology. V. 300, February 2022 (in progress).

Кристаллическая решётка — воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Слева — кубическая объёмноцентрированная решётка. В элементарной ячейке такой решётки атомы расположены в вершинах и центре куба. Подобную решётку имеет ферритная сталь, обладающая магнитными свойствами. Справа — кубическая гранецентрированная решётка. В ячейке такой решётки атомы находятся в вершинах куба и на пересечении диагоналей каждой плоскости. Этот тип решётки характерен для аустенитной стали, не обладающей магнитными свойствами. Но после холодной деформации (механической обработки) у изделий из такой стали могут появляться магнитные свойства за счёт того, что часть аустенита превращается в феррит.

Если вести речь о металлических градиентных магнитных материалах (например, для изготовления роторов двигателей, трансформаторов и проч.), то получают их спеканием или прессованием порошков двух металлов, один из которых (допустим, А) обладает магнитными свойствами, другой же (Б) — немагнитен. Образующееся изделие на одном конце может состоять на 100% из металла А, а на другом — на 100% из металла Б. Между этими крайними точками магнитные свойства продукта плавно изменяются.

Сотрудники лаборатории аддитивного производства Сколтеха вместе с коллегами из Белгородского государственного национального исследовательского университета, НИЦ «Курчатовский институт» и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета впервые получили сплав с градиентными магнитными свойствами, напечатав его на 3D-принтере.

Главное преимущество 3D-печати — возможность создавать объекты очень сложной формы, производить которые с помощью традиционных литья, проката, штамповки или механической обработки слишком дорого либо невозможно. Кроме того 3D-печать обеспечивает низкий уровень отходов. Однако изделия по этой технологии, как правило, изготавливаются целиком из однородного материала или однородной смеси и, соответственно, однородны по свойствам.

В качестве исходных компонентов для 3D-печати сплава с градиентными магнитными свойствами взяли немагнитные сплавы — алюминиевую бронзу Cu-12Al-2Fe и аустенитную* нержавеющую сталь 316L (аналог отечественной стали 08Х17Н13М2, содержащей 16—18% хрома, 10—14% никеля, 2—3% молибдена). Оба материала — парамагнетики, то есть в отсутствии сильного магнитного поля они не притягиваются магнитом. Однако при их смешении образуется так называемый мягкомагнитный ферромагнетик. У получаемого сплава наблюдались ферромагнитные свойства разной степени в зависимости от соотношения исходных компонентов.

Градиентный магнитный сплав получили на 3D-принтере InssTek MX-1000, который работает по принципу наплавки материала при помощи направленного энергетического воздействия: подаваемый порошкообразный материал плавится лазерным лучом.

Исследователи объяснили, как у сплава парамагнетиков возникают ферромагнитные свойства. Оба исходных сплава — и алюминиевая бронза, и аустенитная нержавеющая сталь — кристаллические материалы с так называемой гранецентрированной кубической кристаллической решёткой. Однако при их комбинации образующийся сплав имеет объёмноцентрированную кубическую структуру, которая магнитна.

Градиентные мягкомагнитные сплавы могут найти применение в машиностроении, например для производства электродвигателей. Метод же наплавки материала при помощи направленного энергетического воздействия позволяет не только получать градиентные материалы, используя 3D-печать, но и открывать новые сплавы. Кроме того, поскольку эта технология высокоэффективна, она пригодна для быстрого изготовления крупногабаритных деталей.

Статья с описанием результатов исследования опубликована в «The Journal of Materials Processing Technology».

По информации PR-службы Сколтеха.

Лазерная наплавка — метод нанесения материала при помощи лазерного луча. Международное обозначение — Laser Metal Deposition (лазерное осаждение металлов), сокращённо LMD. Также это Direct Metal Deposition (DMD, прямое осаждение металлов) или Direct Energy Deposition (DED, плавка лазером). Процесс простой: лазер создаёт на поверхности детали плавильную ванну. Через сопло автоматически подаётся металлический порошок. Возникают сваренные друг с другом валики, структуры на имеющихся основных корпусах или даже целые детали. В процессе можно задействовать несколько резервуаров для порошка и с их помощью составлять собственные сплавы. Сочетание различных материалов позволяет создавать многослойные структуры. Процесс отличается высоким качеством, точностью и скоростью выполнения.

Метод применяется в таких отраслях, как авиация, космонавтика, энерготехника, нефтяная химия, автомобилестроение и медицинское оборудование.

Комментарии к статье

* Аустенит — твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в железе. Структура аустенита характерна для нержавеющих сталей, содержащих никель.

№12, 2021