Впервые описаны свойства невозможного железо-медного сплава
Исследователи из Сколтеха напечатали на 3D-принтере образцы из прежде не изученных сплавов стали и бронзы и определили их механические характеристики. Сочетая в себе ценные свойства обоих основных компонентов, эти новые железо-медные сплавы могут найти применение в двигателях самолетов и ракет: можно изготовить камеру сгорания, которой сталь придаст высокую жаростойкость, а бронза — необходимую теплопроводность, чтобы не допускать перегрева.
Функционально-градиентные материалы — новые сплавы, состоящие из прочных «каркасных» зерен и подвижной металлической связки и по сути являющиеся композитами. Такое строение обеспечивает специфическое распределение в них содержания определенных компонентов и, как следствие, свойств, а еще они гораздо эффективнее реализуют полезные характеристики компонентов, чем при обычном смешении. Это делает функционально-градиентные материалы очень перспективными при решении задач, когда важно обеспечить именно плавный переход между свойствами в толще изделия: например, достаточно твердый резец, тем не менее, обладающий достаточно высокой ударной вязкостью, то есть способный сопротивляться разрушению при динамических нагрузках.
В новой работе исследователи Сколковского института науки и технологий с коллегами из Санкт-Петербургского государственного морского технического университета изготовили и изучили новые сплавы стали и бронзы. Первая жаростойкая, но может перегреваться, тогда как вторая хорошо отводит излишнее тепло. Учитывая другие термомеханические свойства, системы сплавов меди и железа видятся очень привлекательными в аэрокосмической промышленности, для изготовления паровых турбин, элементов атомных электростанций. Однако непосредственно смешать эти компоненты, например, лазерным напылением, нельзя из-за сильного различия их характеристик. Авторы решили эту проблему: они использовали технологию 3D-печати с прямым нанесением материала. Порошкообразные ингредиенты сплавляются лазером и смешиваются непосредственно в той точке изделия, которую в конкретный момент времени печатает прибор.
Коллектив совместил бронзу и сталь двумя разными способами. Во-первых, были получены так называемые квазигомогенные сплавы, в которых два исходных материала сравнительно равномерно перемешаны. Во-вторых, были напечатаны «сэндвичные» структуры, состоящие из чередующихся 0,25-миллиметровых слоев бронзы и стали. Кроме того, варьировалось соотношение между двумя составляющими: 50 и 75% бронзы к 50 и 25% стали соответственно. Изучалось и влияние состава самой бронзы: были испытаны алюминиевая, хромистая и оловянистая бронзы. В ходе исследования подтвердилось, что составляющие нового железомедного сплава хорошо смешиваются и не образуется дефектов. Также были изучены структурные и механические свойства сплава.
«Теперь, когда мы знаем, что бронзу и сталь действительно можно сплавлять технологией прямого нанесения материала на 3D-принтере, и знаем механические характеристики этого нового сплава, мы можем исследовать его возможные применения. В перспективе хотелось бы изготовить и испытать в Сколтехе железомедную камеру сгорания, но могут быть и другие изделия и комбинации металлов. Следующим этапом наших работ будет создание лопаток турбин, каналы охлаждения которых будут сделаны из бронзы, а сама лопатка — из прочного суперсплава. Ключевой момент тут — сочетание сильных сторон двух разных материалов в одном цельном изделии без швов и прочих сочленений», — рассказывает первый автор работы, аспирант Сколтеха Константин Макаренко.
