Сплавы представляют собой смеси двух или более металлических элементов. Состав сплава может быть изменен для придания материалу наилучших возможных свойств. Например, металлы хром, кобальт, молибден, титан и алюминий добавляют в суперсплавы на основе никеля, чтобы придать им превосходную механическую прочность, высокое сопротивление ползучести при повышенных температурах и превосходную стабильность поверхности, а также хорошую стойкость к коррозии и окислению.
Теперь Гуйджун Би и его коллеги из Сингапурского института производственных технологий A * STAR использовали технологию, известную как лазерное аддитивное производство, для оптимизации свойств сплава на основе никеля под названием IN100 — жаропрочного материала, впервые разработанного для использование в газовых турбинах. К сожалению, высокое содержание титана и алюминия (эти два элемента составляют более 11% сплава) делает сплав склонным к растрескиванию со временем или во время наплавки и сварки. «Вот почему IN100 обычно производится в литой или порошковой форме», — объясняет Би. «Такие методы, как наплавление, никогда не применялись на IN100, потому что быстрое охлаждение во время лазерной обработки может вызвать растрескивание под напряжением».
Би и его команда показали, что IN100, изготовленный с использованием их технологии, гораздо более устойчив к этому разрушительному растрескиванию. Во время процесса аддитивного производства с помощью лазера исследователи направили луч инфракрасного лазера, чтобы сформировать ванну расплава на поверхности подложки. В то же время порошки IN100 с размером частиц от 20 до 46 микрометров подавались в ванну расплава через сопло подачи порошка.
Порошки были расплавлены и нанесены на литейную подложку IN100 (см. Изображение). Наконец, они упрочили сплав, подвергнув его трехступенчатой последующей термообработке, при которой максимальная температура составляла 1080 градусов Цельсия.
Команда исследовала структурные и физические свойства своего сплава с помощью оптической и электронной микроскопии, а также рентгеновского анализа. Их анализ показал, что материал не имел трещин и имел низкую пористость.
Они связывают этот результат с относительно низким тепловложением их процесса наплавки. Это потому, что в процессе они использовали небольшое лазерное пятно; он был менее 500 микрометров в диаметре — примерно половина диаметра лазерных пятен, используемых при традиционном осаждении материалов.
«Наш метод улучшает управляемость подводимого тепла во время процесса наплавки», — говорит Би. «Это может уменьшить как глубину зоны термического влияния, так и остаточное напряжение, накопленное в наплавленном материале».