Трехмерная печать для создания металлических стеклянных сплавов
Изображение: Zaynab Mahbooba
Исследователи продемонстрировали способность создавать аморфные металлы или металлические стекла, сплавы с использованием трехмерной технологии печати, открывая двери для самых разных применений — таких как более эффективные электродвигатели, лучшие износостойкие материалы, более прочные и более легкие структуры.
«Металлические стекла не имеют кристаллических структур большинства металлов — аморфная структура приводит к исключительно желательным свойствам», — говорит Зайнаб Махбоба, первый автор статьи из факультета материаловедения и инженерии Государственного университета штата Северная Каролина.
К сожалению, для изготовления металлического стекла требуется быстрое охлаждение для предотвращения образования кристаллической структуры. Исторически это означало, что исследователи могли только изготовлять металлические стекла небольшой толщины. Например, аморфные сплавы железа могут быть отлиты толщиной не более чем несколько миллиметров. Это ограничение по размеру называется критической литой толщиной сплава.
«Идея использования аддитивного производства или трехмерной печати для производства металлического стекла с толщиной, превышающих критическую толщину литья, существует уже более десяти лет», — говорит Махбоба. «Но это первая опубликованная работа, демонстрирующая, что мы можем это сделать. Мы смогли изготовить аморфный железный сплав по шкале, в 15 раз превышающей критическую толщину литья».
Исследователи применили лазер к слою металлического порошка, плавя порошок в твердый слой толщиной всего 20 микрон. Затем «Платформа сборки» опускается на 20 микрон, порошок распыляется на поверхность, и процесс повторяется. Поскольку сплав формируется понемногу за раз, он быстро охлаждается — сохраняя свои аморфные свойства. Однако конечным результатом является твердый металлический стеклянный объект — не объект из слоистых дискретных слоев сплава.
«Это доказательство концепции, демонстрирующее, что мы можем это сделать», — говорит Ола Гаррисон, автор работы и Эдвард П. Фитц, профессор промышленных систем и инженерии штата Северная Каролина.
«И нет никакой причины, чтобы эта техника не могла использоваться для производства какого-либо аморфного сплава», — говорит Гаррисон. «Одним из ограничивающих факторов на данный момент будет производство или получение металлических порошков любого состава сплава, который вы ищете.
«Например, мы знаем, что некоторые металлические стекла продемонстрировали огромный потенциал для использования в электродвигателях, уменьшая отработанное тепло и превращая большую мощность от электромагнитных полей в электричество».
«Для поиска композиций сплавов, которые имеют наилучшую комбинацию свойств для любого конкретного приложения, потребуется несколько проб и ошибок, — говорит Махбоба. «Например, вы хотите убедиться, что у вас есть не только желаемые электромагнитные свойства, но и сплав не слишком хрупкий для практического использования».
«И поскольку мы говорим о производстве, мы можем изготовить эти металлические стекла во множестве сложных геометрий, что также может способствовать их полезности в различных приложениях», — говорит Гаррисон.
Больше информации: Zaynab Mahbooba et al. Additive manufacturing of an iron-based bulk metallic glass larger than the critical casting thickness, Applied Materials Today (2018). DOI: 10.1016/j.apmt.2018.02.011