Skoltech研究人员借助3D打印开发新型青铜钢合金,兼备双金属优异性能

3D打印资讯
2023
01/18
21:34
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2023年1月18日,南极熊获悉,来自斯科尔科沃科学技术研究所 (Skoltech) 的一组研究人员表示,他们使用增材制造技术开发了一种新型青铜钢合金。研究人员通过直接激光沉积(LMD)技术来生产出由两种不同金属材料组成的部件,这在市场上尚属首次。

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△双金属材料内部金相组织

该项目的详细信息可以以题为“Mechanical characteristics oflaser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cusystem ”的论文被发表在《Materials & Design》期刊上,由Konstantin I.Makarenkoa,Stepan D.Konev等人撰写。

屏幕截图 2023-01-18 211232.jpg


合金的制造过程中使用了两种技术:其一,是在沉积层之前制备两种金属的混合物;其二,是青铜层与钢层交替沉积。据研究人员表示,这项工作可能对航空航天业有意义,尤其是在飞机和火箭燃烧室的建造方面。

结合两种材料以充分利用其各自特性的情况并不少见——例如,这就是复合材料 3D 打印快速发展的方向。在这种特殊情况下,由于他们具有互补的能力,因此选择了两者。青铜以其耐腐蚀、良好的导电性和高耐磨性而著称。另一方面,钢则具有抗断裂和抗冲击、抗电变形和高硬度的特点。这个项目是一个首创,因为它创造了一种材料科学以前不知道的青铜-钢合金。而这一切都要归功于增材制造。

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用于测试新型青铜钢合金机械性能的3D打印部件(图片来源:Konstantin Makarenko/Skoltech

具体而言,研究人员是使用直接激光沉积(其工作方式类似于定向能量沉积)技术来开发他们的目标合金。首先,他们必须通过以均匀的方式混合两种材料,制造一种几乎均匀的合金,然后将这种合金加工成测试部件以测试机械性能。另一种技术是打印类似“三明治”的部件,即由青铜和钢层组成,每层厚 0.25 毫米。研究人员解释说,他们每次都改变青铜的含量——从 25% 到 50%——而钢的含量保持不变。

Skoltech 的 IgorShishkovsky 教授解释说:“ 3D 打印在制造复合材料部件方面前景广阔,它具有制造复合材料的能力,能同时兼容两种不同材料的特性。例如,考虑到钢材可以耐受发动机运转过程中燃料燃烧产生的高温。这很好,但与青铜相比,钢的热导性能只是中等,因此发动机冷却液无法有效地从中吸走热量以防止过热和损坏。通过借助 3D 打印,我们就可以通过制造一个兼具两种材料特性的燃烧室,该燃烧室内部可以使用无缝衔接上青铜材料,以更好地进行温度控制,而外部则是钢材料起到结构固定的作用。”

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具有准均质青铜钢混合物的 3D 打印部件(图片来源:Konstantin Makarenko/Skoltech)

最终,研究发现这些材料能够很好地融合在一起,且没有发现异常。研究人员随后进行了一系列测试,使用光学和扫描电子显微镜研究新合金的结构和机械性能。Skoltech Materials 的四年级博士生 KonstantinMakarenko 总结道:“既然我们已经确认钢和青铜可以结合成合金,并且可以通过直接激光沉积与 3D 打印相兼容,并且我们知道这种新材料的机械特性,我们就可以探索其可能的应用。展望未来,我想在 Skoltech 制造和测试钢青铜燃烧室,但除此之外,其他项目也是可能的,可以使用其他金属组合。下一步将是制造由强化高温合金制成的涡轮叶片,以及由青铜制成的冷却通道。这一切都是为了将两种不同材料的优点结合到一个无缝产品中,而无需任何焊接或其他接合点。”


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