Российские ученые печатают на 3D-принтере алюминиевые композиты, сравнимые по прочности с титаном

Ученые НИТУ «МИСиС» предложили технологию, позволяющую в 2 раза увеличить прочность композитов, полученных с помощью 3D-печати из алюминиевого порошка и приблизить характеристики полученных изделий к качеству титановых сплавов: прочность титана примерно в 6 раз выше, чем у алюминия, но и плотность титана в 1,7 раз выше (самолет или космический корабль из алюминия был бы значительно легче).

Основой нового композита стали разработанные модификаторы-прекурсоры на основе нитридов и оксидов алюминия, полученные сжиганием. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Sustainable Materials and Technologies.

Еще два десятилетия назад литьё в формы рассматривалось как единственный рентабельный способ изготовления объемных (3D) изделий. Прошли годы, прежде чем появился 3D-принтер по металлу, способный составить достойную конкуренцию металлургическим способам, а в перспективе вытеснить традиционные методы металлургического производства. Преимуществами производства изделий сложной формы с помощью аддитивных технологий являются более сложные формы и конструкции получаемых изделий, низкая себестоимость и теоретически любая комбинация получаемых материалов.

В настоящее время существует несколько технологий, которые используются для печати металлом, основными из которых являются селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) и селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS). Обе они подразумевают постепенное наслаивание металлических порошковых «чернил» слой за слоем для построения заданной объемной фигуры. SLS или SLM — технологии аддитивного производства, основанные на послойном спекании порошковых материалов с помощью луча мощного (до 500 Ватт) лазера.

Один из оптимальных по характеристикам металлов для изготовления изделий для аэрокосмической промышленности— это титан, однако в 3D-печати он неприменим по причине пожаро- и взрывоопасности порошков. Альтернативой выступает алюминий, легкий (плотность 2700 кг/м³) — одно из главных требований отрасли, пластичный, обладающий модулем упругости ~70 МПа, пригодный для 3D-печати, однако недостаточно прочный и твердый: предел прочности даже для сплава Дюраль до 500 МПа, твердость по Бринелю НВ на уровне 20 кгс/мм².

Решение задачи упрочения алюминиевой 3D-печати предложил научный коллектив кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора Александра Громова.

«Мы разработали технологию упрочения алюмоматричных композитов, полученных методом 3D-печати, получив инновационные прекурсоры — модификаторы, полученные сжиганием порошков алюминия. Продукты горения — нитриды и оксиды алюминия — обладают специфически подготовленной для спекания, разветвленной поверхностью со сформированными переходными нанослоями между частицами. Именно особые свойства и структура поверхности позволяет частицам прочно прикрепляться к алюминиевой матрице и в итоге повышает прочность полученных композитов в 2 раза», — рассказал руководитель исследовательской группы Александр Громов.

В настоящее время коллектив разработчиков тестирует полученные с помощью новой технологии прототипы изделий.

ФОТО: НИТУ «МИСиС».