俄羅斯科學(xué)家借助3D打印開發(fā)出青銅鋼新合金

來(lái)源： 增材制造技術(shù)前沿

2023年1月13日，南極熊獲悉，俄羅斯Skoltech（斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究院）的科學(xué)家近期公布了一種使用3D打印技術(shù)制造的青銅鋼合金，這種新型合金融合了青銅和鋼的獨(dú)特特性——受益于鋼的耐極端溫度能力和青銅的導(dǎo)熱能力，新材料可用于制造飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。

該研究以“Mechanical characteristics of laser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cu system”為題發(fā)表在《材料與設(shè)計(jì)》雜志上。研究人員首次使用直接激光沉積工藝制造了青銅鋼合金。Skoltech團(tuán)隊(duì)以兩種不同的方式將青銅和鋼結(jié)合起來(lái)——獲得所謂的準(zhǔn)均質(zhì)合金和夾層結(jié)構(gòu)。

△研究人員制造的準(zhǔn)均質(zhì)青銅鋼合金制成的垂直桿

準(zhǔn)均質(zhì)合金意味著兩種材料均勻混合在整個(gè)樣品中，而夾層結(jié)構(gòu)則由一系列交替的0.25毫米厚的青銅和鋼層組成。激光能量沉積裝置采用同時(shí)進(jìn)料青銅和鋼粉或者交替沉積的形式制造兩種材料或結(jié)構(gòu)。鋼粉采用的是316L不銹鋼，青銅粉則分為鋁青銅、錫青銅以及鉻青銅。研究人員分別對(duì)由不同銅合金組成的銅鋼均質(zhì)合金（50：50、75：25兩種成分）以及夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，共進(jìn)行了8組實(shí)驗(yàn)。

研究證實(shí)，這兩種材料熔合良好，沒(méi)有形成缺陷。該團(tuán)隊(duì)3D打印了測(cè)試樣條，檢查了它們的形狀、化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)。研究人員表示，“當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，樣品的形狀可能會(huì)明顯變形，或者在3D打印過(guò)程中可能會(huì)開裂。這意味著要么使用的材料不合適，要么條件設(shè)置不當(dāng)�！痹诖穗A段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題后，研究人員開始從樣品的不同部位切出樣塊，并使用光學(xué)和掃描電子顯微鏡研究?jī)?nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

△青銅鋼合金中青銅和鋼的交替區(qū)域

對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行廣泛的機(jī)械測(cè)試，獲得了主要的機(jī)械特性。其中，由鋁青銅和鋼以1:1混合的材料得到了最高的力學(xué)性能，其中抗拉強(qiáng)度達(dá)到838.6Mpa，屈服強(qiáng)度665Mpa，應(yīng)變斷裂比為0.035，這些材料性能是首次被報(bào)道。

△用于機(jī)械測(cè)試的準(zhǔn)均質(zhì)樣品

該研究成功證實(shí)了鋼和青銅可以通過(guò)3D打印制造出新的合金，從而能夠探索可能的應(yīng)用。未來(lái)，研究人員將測(cè)試青銅鋼燃燒室，鋼材可以抵抗運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的高溫，但與青銅相比，鋼的導(dǎo)熱率不足，因此發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液無(wú)法有效從中吸走熱量防止過(guò)熱和損壞。借助3D打印，可以通過(guò)制造由梯度材料構(gòu)成的燃燒室，確保熱量快速導(dǎo)出，同時(shí)保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。除此之外，研究人員還將測(cè)試其他金屬組合，如制造由超級(jí)合金制成的渦輪葉片等。

3D打印再一次證明在開發(fā)新材料方面具有重要的優(yōu)勢(shì)，由其制成的復(fù)合材料將具備兩種或多種金屬的優(yōu)勢(shì)，因此也得到各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。