Исследователи разработали метод 3D-печати монокристаллических структур никеля

Команде ученых из Национального института материаловедения Японии, Университета Кюсю и Университета Осаки удалось изготовить монокристалл никеля с очень небольшим количеством кристаллических дефектов путем облучения никелевого порошка лазерным лучом большого радиуса с плоской вершиной (т.е. лазерным лучом, интенсивность которого равномерна по всему сечению луча). Этот метод может быть использован для изготовления широкого спектра монокристаллических материалов, включая жаропрочные материалы для реактивных двигателей и газовых турбин.

В предыдущих исследованиях сообщалось, что монокристаллы могут быть изготовлены с помощью аддитивного EBM процесса с использованием электронного луча. Однако этот метод требует дорогостоящего оборудования, и его эксплуатация также является дорогостоящей из-за необходимости создания вакуума, что ограничивает его широкое применение.

Хотя использование аддитивного оборудования на основе лазеров может быть более дешевым, предыдущие попытки изготовить монокристаллы с помощью этой техники не увенчались успехом по причине появления дефектов на границах между расплавом и твердым телом. Было установлено, что эта проблема связана с профилем интенсивности обычных гауссовых лазерных лучей (т.е. лазерных лучей с колоколообразной интенсивностью в поперечном сечении луча), который вызывает образование поликристаллов.

Исследовательской группе удалось изготовить монокристаллы с помощью лазерного луча с плоской вершиной, сформировав плоскую поверхность бассейна расплава на никелевых порошках. Отдельные кристаллические зерна росли в одном направлении с меньшим количеством дефектов, вызывающих деформацию.

Как отмечается в исследовании, при использовании плоского лазерного профиля и подбора параметров, ученые смогли добиться формирования планарного бассейна расплава, который "подавлял геометрически необходимое накопление дислокаций и предотвращал вызванную деформацией непрерывную динамическую рекристаллизацию".

Примечательно, что эта техника не требует использования затравочных кристаллов, что упрощает процессы аддитивного производства.