NIMS и Высшая инженерная школа Университета Осаки преуспели в изготовлении монокристалла никеля с очень небольшим количеством кристаллических дефектов путем облучения никелевого порошка лазерным лучом с равномерной интенсивностью по поперечному сечению луча. Этот метод может быть использован для изготовления широкого спектра монокристаллических материалов, включая термостойкие материалы для реактивных двигателей и газовых турбин.
Предыдущие исследования показали, что монокристаллы могут быть изготовлены с использованием электронно-лучевого аддитивного производства. Однако этот метод требует дорогостоящего оборудования, и его эксплуатация также является дорогостоящей из-за необходимости создания вакуума, что ограничивает его широкое применение. Хотя лазерное аддитивное производство может быть выполнено с использованием более дешевого оборудования, предыдущие попытки изготовить монокристаллы с использованием этой технологии потерпели неудачу. Когда необработанный металлический порошок облучается лазерным лучом, он плавится, образуя границу раздела твердое тело–жидкость. Затруднительно выращивать зерна вблизи границы раздела в одном и том же направлении и предотвращать образование дефектов, вызванных их затвердеванием.
Было обнаружено, что эта проблема связана с профилем интенсивности обычных гауссовых лазерных лучей (т.е. лазерных лучей с колоколообразной интенсивностью поперечного сечения луча), что приводит к образованию поликристаллов, состоящих из менее ориентированных кристаллических зерен со многими границами зерен.
Исследовательская группа Высшей инженерной школы Университета NIMS–Osaka преуспела в изготовлении монокристаллов с использованием лазерного луча с плоской поверхностью, который образует плоскую поверхность ванны на порошках никеля. Отдельные кристаллические зерна росли в одном и том же направлении с меньшим количеством дефектов, вызывающих деформацию. Монокристаллы без границ зерен очень прочны при высоких температурах. Этот новый метод позволяет свести к минимуму образование деформаций и растрескивание кристаллов во время их затвердевания. Кроме того, этот метод не требует использования затравочных кристаллов, что упрощает процессы аддитивного производства.
В дополнение к никелю, технология лазерного аддитивного производства может быть использована для обработки других металлов и сплавов в монокристаллические объекты. Компоненты реактивных двигателей и газовых турбин становятся все более сложными по форме и легче, а спрос на аддитивное производство этих компонентов с использованием жаропрочных суперсплавов на основе никеля растет. Поскольку монокристаллы при высоких температурах прочнее поликристаллов, их практическое использование в качестве термостойких материалов является многообещающим.
Это исследование было опубликовано в журнале Additive Manufacturing Letters.
Больше интересных новостей техники и технологии у нас в подкастусе: https://cyberkoalastudios.com/podcastus/
