Сплавы с высокой энтропией известны своей почти эквиатомной смесью нескольких металлических элементов. Они могут одновременно хорошо работать с точки зрения прочности, ударной вязкости, устойчивости к высоким температурам и коррозии. Они считаются следующим поколением ключевых конструкционных материалов для аэрокосмической и энергетической областей. Однако при их приготовлении всегда возникали такие проблемы, как неравномерное перемешивание и «пятнистость» структуры.Исследовательская группа из Национального института стандартов и технологий (NIST) недавно предложила новый метод управления лазерным путем для 3D-печати металлом. Путем «микроскопического перемешивания» расплавленной ванны во время процесса печати удалось успешно повысить эффективность смешивания высокоэнтропийных сплавов на атомном уровне при прямой печати деталей сложной структуры.
В традиционных сплавах в качестве матрицы часто используется один металл, дополненный небольшим количеством других элементов для улучшения характеристик. Например, добавление небольшого количества углерода к железу позволяет получить сталь со значительно улучшенной прочностью, а добавление никеля и хрома позволяет получить нержавеющую сталь с хорошей коррозионной стойкостью. Поскольку спрос на инженерные приложения продолжает расти, особенно в турбинах, газовых турбинах, космических кораблях и других сценариях, где комплексные требования к прочности, долговечности и устойчивости к высоким температурам становятся все более и более строгими, системы высокоэнтропийных сплавов, основанные на пяти или более металлах с примерно одинаковыми пропорциями, начали получать широкое внимание. Однако разные металлы имеют огромные различия в плотности, температуре плавления и поведении при затвердевании. Даже если их удается временно расплавить при высоких температурах, они могут легко отделиться в процессе охлаждения, образуя зоны с существенно разными свойствами и ослабляя общие характеристики материала. Как подчеркнул участвовавший в исследовании физик NIST Фань Чжан, чтобы высокоэнтропийные сплавы смогли воспользоваться своими преимуществами, они должны добиться достаточного и равномерного смешивания на атомном уровне, что предъявляет более высокие требования к производственному процессу.
В настоящее время распространенными путями получения высокоэнтропийных сплавов в лабораториях являются дуговая плавка, порошковая металлургия и т. д. Можно получить исследовательские образцы или простые слитки, но непосредственное изготовление готовых деталей со сложными внутренними полостями и регулируемым локальным составом затруднительно. Технология лазерной селективной сварки (Laser Powder Bed Fusion) в аддитивном производстве металлов теоретически может смешивать различные металлические порошки в порошковом слое и создавать компоненты сложной геометрической формы посредством послойного плавления и укладки. Поэтому он рассматривается как потенциальный путь реализации сложных компонентов высокоэнтропийных сплавов. В традиционном процессе мощный лазер движется по траектории линейного сканирования на поверхности тонкого слоя порошка, образуя недолговечную крошечную ванну расплава, которая затем быстро охлаждается и затвердевает. Для обеспечения рабочих характеристик этого процесса обычно достаточно для одного металла или простого сплава. Однако для сплавов с высокой энтропией, которые требуют полного смешивания нескольких элементов, время пребывания ванны расплава слишком короткое, а внутренний поток недостаточен, что затрудняет равномерное диспергирование различных металлических компонентов.
Решение, предложенное командой NIST, относится непосредственно к процессу течения и перемешивания внутри ванны расплава: активное «перемешивание» ванны расплава металла во время процесса печати для максимально полного смешивания нескольких элементов перед затвердеванием. Вместо существенной модификации оборудования на аппаратном уровне они решили перепланировать метод лазерного движения на программном уровне, переписав традиционную прямолинейную траекторию сканирования в «петлевой» путь, состоящий из крошечных эллиптических замкнутых кривых, что позволяет лазеру многократно рисовать петли в чрезвычайно маленьком пространстве. Эта траектория лазера эквивалентна преобразованию лазера из простого источника тепла в микроскопический «инструмент для перемешивания», создающий более сильные эффекты конвекции и перемешивания внутри расплавленной ванны, заставляя различные металлы смешиваться более полно и равномерно за короткое время. Исследовательская группа разработала новое программное обеспечение для траектории движения инструмента для создания этих сложных эллиптических шаблонов сканирования, поскольку существующее коммерческое программное обеспечение для 3D-печати металлом еще не имеет аналогичных возможностей.
Чтобы проверить эффективность этой идеи, исследователи выбрали для теста чрезвычайно сложную комбинацию материалов: разместили рядом тугоплавкий высокоэнтропийный сплав высокой плотности RHEA-19 и легкий титановый сплав и позволили лазерному сканированию границы двух материалов по эллиптической траектории. Эти два сплава имеют явные различия в плотности и термических свойствах. Они легко разделяются по фазам в обычных условиях ванны расплава и с трудом образуют новый однородный сплав. Поэтому они очень подходят для «строгих экзаменационных вопросов». Благодаря такому расположению команда надеется наблюдать, сможет ли расплавленная ванна смешать два материала в новый однородный сплав на границе под действием лазерного «перемешивания», а не просто сформировать двухфазную структуру с четкой границей раздела.
Чтобы понять, что происходит внутри расплавленной ванны, недостаточно наблюдать за затвердевшим образцом постфактум, поскольку процесс плавления и затвердевания происходит за время менее секунды, а металл высокой плотности непрозрачен для видимого света, что затрудняет «видение сквозь» внутреннюю часть с помощью традиционных методов визуализации. С этой целью исследователи использовали крупную установку синхротронного излучения Advanced Photon Source (Усовершенствованный источник фотонов) в Аргоннской национальной лаборатории. Этот круглый ускоритель размером со стадион может генерировать чрезвычайно яркие рентгеновские лучи, подходящие для проникновения в металлические образцы и получения внутренней структурной информации. Команда использовала технологию дифракции рентгеновских лучей для регистрации картин рассеяния рентгеновских лучей внутри материала в реальном времени во время процессов плавления и затвердевания, на основе чего они проанализировали траектории эволюции расположения атомов на разных стадиях и построили временные ряды изображений динамической структуры ванны расплава. В то же время они также использовали электронные микроскопы для детального наблюдения за конечным затвердевшим материалом, чтобы подтвердить, достигла ли структура сплава ожидаемой однородности и потенциала производительности.
Экспериментальные данные показывают, что стратегия лазерного «перемешивания» действительно улучшает сочетание материалов, которое в противном случае было бы трудно смешивать, при этом граничные области образуют новые структуры сплава, которые смешаны более равномерно, а не просто наслоены или разделены на кусочки. Что еще более важно, исследования показывают, что конструкция лазерного пути не только влияет на геометрию формовки, но также может использоваться в качестве ключевого параметра процесса для управления методом формирования сплава и содействия смешиванию нескольких элементов. Это открывает новые возможности для разработки новых систем сплавов с использованием методов аддитивного производства. В совокупности техническое решение, предложенное командой, использует существующую платформу для лазерной сварки в порошковом слое для одновременной подготовки сырья из высокоэнтропийного сплава и формирования сложной конечной детали в одном и том же процессе посредством программного управления траекторией.
В долгосрочной перспективе влияние этой работы выходит за рамки печати определенного «хитрого» высокоэнтропийного сплава. В настоящее время 3D-печать металлом часто предполагает использование одного предварительно легированного порошка. Изготовление различных сплавов означает подготовку множества соответствующих порошков, что сложно с точки зрения затрат, логистики и адаптации процесса. Идея «лазерного смешивания», предложенная NIST, указывает на другую возможность: помещать относительно простые металлические порошки в одно и то же оборудование и смешивать их по требованию внутри оборудования посредством лазерного управления траекторией и параметрами процесса, подобно цветному принтеру, который смешивает несколько чернил для получения насыщенных цветов, превращая платформу аддитивного производства в фабрику сплавов, которая объединяет «формуляцию» и формовку на месте. Как только будут реализованы зрелые приложения, печатное оборудование сможет не только уменьшить количество типов порошков и затраты на складские запасы, но также реализовать градиентный дизайн компонентов в пределах одной детали - например, используя формулы более термостойких сплавов в высокотемпературных областях лопаток турбины и используя формулы, которые уравновешивают прочность и плотность в зонах, несущих структурные нагрузки или уменьшающих вес, без необходимости сварки или механического соединения различных компонентов материала.
Конечно, эта технология пока находится на стадии исследования и проверки и не является готовым промышленным решением. Поведение различных систем сплавов в ванне расплава сильно различается. Сведение — это всего лишь одно звено. В инженерных приложениях также необходимо одновременно контролировать множество переменных, таких как склонность к образованию трещин, дефекты пор, остаточное напряжение, скорость охлаждения, качество порошка и последующая термообработка. Кроме того, экосистема коммерческого программного обеспечения и системы управления оборудованием также должны поддерживать такие сложные траектории лазерного инструмента и стратегии смешивания сплавов на регулярной основе в промышленных сценариях. Соответствующие результаты исследований были опубликованы в журнале «Аддитивное производство», обеспечивая новое технологическое направление с эмпирической основой для будущего аддитивного производства высокоэнтропийных сплавов и сложных конструкционных деталей.