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

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。

△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。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522009352?via%3Dihub

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。

△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。”

△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。”