俄罗斯科学家借助3D打印开发出青铜钢新合金

来源： 增材制造技术前沿

2023年1月13日，南极熊获悉，俄罗斯Skoltech（斯科尔科沃科学技术研究院）的科学家近期公布了一种使用3D打印技术制造的青铜钢合金，这种新型合金融合了青铜和钢的独特特性——受益于钢的耐极端温度能力和青铜的导热能力，新材料可用于制造飞机和火箭发动机的燃烧室。

该研究以“Mechanical characteristics of laser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cu system”为题发表在《材料与设计》杂志上。研究人员首次使用直接激光沉积工艺制造了青铜钢合金。Skoltech团队以两种不同的方式将青铜和钢结合起来——获得所谓的准均质合金和夹层结构。

△研究人员制造的准均质青铜钢合金制成的垂直杆

准均质合金意味着两种材料均匀混合在整个样品中，而夹层结构则由一系列交替的0.25毫米厚的青铜和钢层组成。激光能量沉积装置采用同时进料青铜和钢粉或者交替沉积的形式制造两种材料或结构。钢粉采用的是316L不锈钢，青铜粉则分为铝青铜、锡青铜以及铬青铜。研究人员分别对由不同铜合金组成的铜钢均质合金（50：50、75：25两种成分）以及夹层结构进行了研究，共进行了8组实验。

研究证实，这两种材料熔合良好，没有形成缺陷。该团队3D打印了测试样条，检查了它们的形状、化学成分和微观结构。研究人员表示，“当出现问题时，样品的形状可能会明显变形，或者在3D打印过程中可能会开裂。这意味着要么使用的材料不合适，要么条件设置不当。”在此阶段没有发现任何问题后，研究人员开始从样品的不同部位切出样块，并使用光学和扫描电子显微镜研究内部组织结构。

△青铜钢合金中青铜和钢的交替区域

对复合材料进行广泛的机械测试，获得了主要的机械特性。其中，由铝青铜和钢以1:1混合的材料得到了最高的力学性能，其中抗拉强度达到838.6Mpa，屈服强度665Mpa，应变断裂比为0.035，这些材料性能是首次被报道。

△用于机械测试的准均质样品

该研究成功证实了钢和青铜可以通过3D打印制造出新的合金，从而能够探索可能的应用。未来，研究人员将测试青铜钢燃烧室，钢材可以抵抗运转中发动机燃料燃烧产生的高温，但与青铜相比，钢的导热率不足，因此发动机冷却液无法有效从中吸走热量防止过热和损坏。借助3D打印，可以通过制造由梯度材料构成的燃烧室，确保热量快速导出，同时保障结构强度。除此之外，研究人员还将测试其他金属组合，如制造由超级合金制成的涡轮叶片等。

3D打印再一次证明在开发新材料方面具有重要的优势，由其制成的复合材料将具备两种或多种金属的优势，因此也得到各国科学家的广泛关注。