Разработан сплав с памятью формы, напечатанный на 3D-принтере, с превосходной сверхэластичностью
Исследователи из Техасского университета A&M недавно продемонстрировали превосходную сверхэластичность при растяжении, изготовив сплав с памятью формы с помощью лазерного сплавления в порошковом слое, что почти вдвое превышает максимальную сверхэластичность, о которой сообщается в литературе для 3D-печати. Это исследование было недавно опубликовано в vol. 229 журнала Acta Materialia.
Слева представлена электронная микрофотография никель-титанового порошка. Исследователи могут использовать этот порошок для изготовления 3D-печатных деталей, таких как никель-титановые решетки (справа). Предоставлено: Texas A&M Engineering.
Лазерная порошковая сварка, метод 3D-печати, предлагает потенциал в обрабатывающей промышленности, особенно при изготовлении никель-титановых сплавов с памятью формы со сложной геометрией. Хотя эта технология производства привлекательна для применения в биомедицинской и аэрокосмической областях, она редко демонстрирует сверхэластичность, необходимую для конкретных применений с использованием никель-титановых сплавов с памятью формы. Возникшие дефекты и изменения, внесенные в материал в процессе 3D-печати, предотвратили появление сверхэластичности в 3D-печатном никель-титане.
Исследователи из Техасского университета A&M недавно продемонстрировали превосходную сверхэластичность при растяжении, изготовив сплав с памятью формы с помощью лазерного сплавления в порошковом слое, что почти вдвое превышает максимальную сверхэластичность, о которой сообщается в литературе для 3D-печати.
Это исследование было недавно опубликовано в vol. 229 журнала Acta Materialia.
Никель-титановые сплавы с памятью формы имеют различные применения из-за их способности возвращаться к своей первоначальной форме при нагревании или при снятии приложенного напряжения. Поэтому их можно использовать в биомедицинских и аэрокосмических областях для изготовления стентов, имплантатов, хирургических устройств и крыльев самолетов. Однако разработка и правильное изготовление этих материалов требует обширных исследований для определения функциональных свойств и изучения микроструктуры.
«Сплавы с памятью формы — это умные материалы, которые могут запоминать свою форму при высоких температурах», — сказал доктор Лэй Сюэ, бывший аспирант кафедры материаловедения и инженерии и первый автор публикации. «Хотя их можно использовать по-разному, изготовление сплавов с памятью формы сложной формы требует тонкой настройки, чтобы материал проявлял желаемые свойства».
Лазерная плавка в порошковом слое — это технология аддитивного производства, которая представляет собой способ эффективного и экономичного производства никель-титановых сплавов с памятью формы, предлагая путь к быстрому производству или прототипированию. Этот метод, похожий на полимерную 3D-печать, использует лазер для плавления порошков металлов или сплавов слой за слоем. Послойный процесс выгоден тем, что позволяет создавать детали сложной геометрии, которые были бы невозможны при традиционном производстве.
«С помощью 3D-принтера мы распределяем порошок сплава по подложке, а затем с помощью лазера расплавляем порошок, формируя один полный слой», — сказал Сюэ. «Мы повторяем это наслоение, сканируя одни и те же или разные узоры, пока не сформируется желаемая структура».
К сожалению, большинство никель-титановых материалов не могут выдержать текущий процесс плавки в порошковом слое лазера, что часто приводит к дефектам печати, таким как пористость, коробление или расслоение, вызванное большим температурным градиентом и хрупкостью из-за окисления. Кроме того, лазер может изменить состав материала за счет испарения во время печати.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали структуру оптимизации, созданную ими в предыдущем исследовании, которая может определять оптимальные параметры процесса для достижения бездефектной структуры и конкретных свойств материала.
Используя эту структуру, а также изменение состава и усовершенствованные параметры процесса, исследователи изготовили никель-титановые детали, которые постоянно демонстрировали сверхэластичность при растяжении при комнатной температуре на уровне 6% в состоянии после печати (без термообработки после изготовления). Этот уровень сверхэластичности почти вдвое превышает уровень, ранее описанный в литературе для 3D-печати.
Возможность производить сплавы с памятью формы с помощью 3D-печати с повышенной сверхэластичностью означает, что материалы лучше справляются с приложенной деформацией. Использование 3D-печати для разработки этих превосходных материалов снизит стоимость и время производственного процесса.
Исследователи надеются, что в будущем их открытия приведут к более широкому использованию печатных никель-титановых сплавов с памятью формы в биомедицинских и аэрокосмических приложениях.
«Это исследование может служить руководством по печати никель-титановых сплавов с памятью формы с желаемыми механическими и функциональными характеристиками», — сказал Сюэ. «Если мы сможем адаптировать кристаллографическую текстуру и микроструктуру, эти сплавы с памятью формы смогут найти гораздо больше применений».
Это исследование финансировалось Исследовательской лабораторией армии США, грантом Национальной исследовательской программы, Национальным исследовательским фондом Катара и грантом Национального научного фонда США.
Среди других авторов публикации глава отдела материаловедения и инженерии д-р Ибрагим Караман; профессора материаловедения и инженерии доктор Кадри Кан Атли и доктор Раймундо Аррояве; бывший студент материаловедения и инженерии доктор Абхинав Шривастава и нынешний студент Натан Хайт; Wm Майкл Барнс '64 Профессор кафедры промышленных систем и инженерии доктор Алаа Элвани; студент промышленных систем и инженерии Чэнь Чжан; и исследователи исследовательской лаборатории армии США д-р Ашер С. Лефф, д-р Адам А. Уилсон и д-р Дарин Дж. Шарар.
