Skoltech研究人員借助3D打印開發(fā)新型青銅鋼合金，兼?zhèn)潆p金屬優(yōu)異性能

2023年1月18日，南極熊獲悉，來自斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究所 (Skoltech) 的一組研究人員表示，他們使用增材制造技術(shù)開發(fā)了一種新型青銅鋼合金。研究人員通過直接激光沉積（LMD）技術(shù)來生產(chǎn)出由兩種不同金屬材料組成的部件，這在市場上尚屬首次。

△雙金屬材料內(nèi)部金相組織

該項目的詳細(xì)信息可以以題為“Mechanical characteristics oflaser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cusystem ”的論文被發(fā)表在《Materials & Design》期刊上，由Konstantin I.Makarenkoa，Stepan D.Konev等人撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522009352?via%3Dihub

合金的制造過程中使用了兩種技術(shù)：其一，是在沉積層之前制備兩種金屬的混合物；其二，是青銅層與鋼層交替沉積。據(jù)研究人員表示，這項工作可能對航空航天業(yè)有意義，尤其是在飛機(jī)和火箭燃燒室的建造方面。

結(jié)合兩種材料以充分利用其各自特性的情況并不少見——例如，這就是復(fù)合材料 3D 打印快速發(fā)展的方向。在這種特殊情況下，由于他們具有互補(bǔ)的能力，因此選擇了兩者。青銅以其耐腐蝕、良好的導(dǎo)電性和高耐磨性而著稱。另一方面，鋼則具有抗斷裂和抗沖擊、抗電變形和高硬度的特點(diǎn)。這個項目是一個首創(chuàng)，因?yàn)樗鼊?chuàng)造了一種材料科學(xué)以前不知道的青銅-鋼合金。而這一切都要?dú)w功于增材制造。

△用于測試新型青銅鋼合金機(jī)械性能的3D打印部件（圖片來源：Konstantin Makarenko/Skoltech

具體而言，研究人員是使用直接激光沉積（其工作方式類似于定向能量沉積）技術(shù)來開發(fā)他們的目標(biāo)合金。首先，他們必須通過以均勻的方式混合兩種材料，制造一種幾乎均勻的合金，然后將這種合金加工成測試部件以測試機(jī)械性能。另一種技術(shù)是打印類似“三明治”的部件，即由青銅和鋼層組成，每層厚 0.25 毫米。研究人員解釋說，他們每次都改變青銅的含量——從 25% 到 50%——而鋼的含量保持不變。

Skoltech 的 IgorShishkovsky 教授解釋說：“ 3D 打印在制造復(fù)合材料部件方面前景廣闊，它具有制造復(fù)合材料的能力，能同時兼容兩種不同材料的特性。例如，考慮到鋼材可以耐受發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中燃料燃燒產(chǎn)生的高溫。這很好，但與青銅相比，鋼的熱導(dǎo)性能只是中等，因此發(fā)動機(jī)冷卻液無法有效地從中吸走熱量以防止過熱和損壞。通過借助 3D 打印，我們就可以通過制造一個兼具兩種材料特性的燃燒室，該燃燒室內(nèi)部可以使用無縫銜接上青銅材料，以更好地進(jìn)行溫度控制，而外部則是鋼材料起到結(jié)構(gòu)固定的作用。”

△具有準(zhǔn)均質(zhì)青銅鋼混合物的 3D 打印部件（圖片來源：Konstantin Makarenko/Skoltech）

最終，研究發(fā)現(xiàn)這些材料能夠很好地融合在一起，且沒有發(fā)現(xiàn)異常。研究人員隨后進(jìn)行了一系列測試，使用光學(xué)和掃描電子顯微鏡研究新合金的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。Skoltech Materials 的四年級博士生 KonstantinMakarenko 總結(jié)道：“既然我們已經(jīng)確認(rèn)鋼和青銅可以結(jié)合成合金，并且可以通過直接激光沉積與 3D 打印相兼容，并且我們知道這種新材料的機(jī)械特性，我們就可以探索其可能的應(yīng)用。展望未來，我想在 Skoltech 制造和測試鋼青銅燃燒室，但除此之外，其他項目也是可能的，可以使用其他金屬組合。下一步將是制造由強(qiáng)化高溫合金制成的渦輪葉片，以及由青銅制成的冷卻通道。這一切都是為了將兩種不同材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一個無縫產(chǎn)品中，而無需任何焊接或其他接合點(diǎn)。”