Импульсная 3D-печать позволила получить монокристаллы титана длиной с метр

Международная группа под руководством Морриса Ванга (Y. Morris Wang) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и коллег из Пекинского технологического института, Университета Цинхуа и Сианьского транспортного университета сообщила о создании монокристаллических металлических стержней длиной более одного метра методом проволочно-дуговой аддитивной печати с импульсным управлением термическим циклом. Работа опубликована в журнале Nature.

Как импульсный режим формирует монокристалл

Механические свойства: где выигрыш, а где нет

Обычная проволочно-дуговая 3D-печать (WAAM) создаёт поликристаллическую структуру: металл застывает слоями, и в каждом слое возникают многочисленные зерна с разными ориентациями кристаллической решётки. Монокристалл — структура, в которой все атомы выстроены в единую непрерывную решётку, — традиционно выращивают медленным направленным затвердеванием расплава или с использованием специальной кристаллической затравки.

В новом методе, названном DSP-WAAM, сварочная дуга работает в режиме чередования мощных и слабых импульсов: пиковый ток 200 А сменяется базовым током 20 А с частотой 0,1 Гц, при этом толщина каждого наносимого слоя составляет около 0,15 мм. Такое чередование создаёт строго контролируемый температурный градиент: расплав вблизи вершины затвердевает по единственному кристаллографическому направлению, продолжая уже сформированную ниже монокристаллическую структуру. Кристаллической затравки при этом не требуется.

Результат: стержни из сплава Ti-6Al-4V метровой длины и сантиметрового диаметра с разориентацией соседних участков решётки менее 4°, что соответствует критериям монокристалла. Аналогичным способом авторы напечатали образцы из вольфрама (W), молибдена (Mo), ниобия (Nb) и сплава MoNb.

Монокристаллическая структура принципиально меняет механическое поведение металла при высоких температурах:

При температурах 600–700 °C (873–973 К) новые образцы Ti-6Al-4V показали устойчивость к ползучести на порядок выше, чем обычный поликристаллический сплав при нагрузке 100 МПа

Ниже примерно 500 °C (773 К) картина иная: традиционные поликристаллические образцы демонстрировали более высокий предел текучести

Авторы не утверждают неограниченного масштабирования размеров или немедленной промышленной готовности — это лабораторная демонстрация принципа

Разница в высокотемпературных характеристиках объясняется тем, что в монокристалле отсутствуют межзёренные границы — один из факторов, способствующих ползучести при нагреве. При комнатных и умеренных температурах именно эти границы нередко упрочняют металл.

Монокристаллические компоненты уже используются в авиационных турбинах, где лопатки из монокристаллических суперсплавов выдерживают экстремальные температуры и нагрузки. Новый метод потенциально позволяет изготавливать крупногабаритные детали сложной формы без дорогостоящего литейного оборудования. Авторы также отмечают возможность применения в ядерных реакторах и других высокотемпературных конструкциях, где жаропрочность важнее прочности при комнатной температуре.