Исходя из оценок экспертов, более 80% инженерных проблем случаются из-за усталости материала, так как это ключевой аспект в легких конструкциях всех механических систем, например, в авиации, автомобильной промышленности и системах производства энергии.

Явление усталости в металлах было обнаружено около двух столетий назад. С тех пор усталостное разрушение стало одной из самых важных проблем, влияя на срок службы и надежность всех механических систем, таких как те, что используются в авиации, автомобилях и атомных электростанциях, — Профессор Лу Жен, декан факультета инженерии и директор Гонконгского филиала Национального исследовательского центра по драгоценным металлам.

Недавно совместными усилиями ученые Гонконгского городского университета и Шанхайского университета Цзяо Тун достигли прорыва в данном вопросе, создав алюминиевый сплав с беспрецедентной устойчивостью к усталости. Новая стратегия с использованием передовых технологий 3D-печати может быть применена к другим сплавам для разработки легких компонентов с повышенной эффективностью нагрузки.

Низкая усталостная прочность главным образом вызвана дефектами в материалах, которые продолжают изменяться с циклической нагрузкой, формируя макроскопические трещины. Трещины расширяются и в итоге разрушают всю структуру материала. Это сложное явление также происходит в сплавах, полученных с помощью 3D-печати, что ограничивает дальнейшие применения 3D-печатаемых материалов, — Лу Жен.

Сплав с уникальными свойствами

Чтобы преодолеть преграду низкой устойчивости к усталости исследовательская группа использовала лазерную наплавку порошка (LPBF) — одну из наиболее распространенных техник металлургического производства — чтобы успешно изготовить новый алюминиевый сплав из порошков AlSi₁₀Mg, декорированных наночастицами TiB₂. Устойчивость к усталости этого напечатанного на 3D-принтере сплава оказалась в два раза выше, чем у прочих 3D аналогов и превзошла устойчивость высокопрочных кованых сплавов.

Эти результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.

(A) анализ μ-CT, показывающий пространственное распределение и размер дефектов печати; самый крупный дефект составил 73 мкм, что составляет лишь около 1/3 размера дефектов в сплаве АМ AlSi₁₀Mg без декорирования TiB₂. (B) Морфология зерен напечатанного образца. © Сетка ячеистой структуры со средним диаметром ~ 500 нм. (D) Непрерывная ячеистая структура 3D Si, выявленная с помощью томографии BSE/FIB. (E) Ячеистая структура, состоящая из наноразмерных фаз Si, выявленная с помощью ПЭМ.

Исследователи использовали микрокомпьютерную томографию для изучения созданного ими NTD-Al сплава и обнаружили в образце типичную для 3D печати непрерывную двухфазную ячеистую наноструктуру, состоящую из сети твердых клеточных конструкций со средним диаметром около 500 нанометров. Наноструктура работает как мощная объемная наноклетка, предотвращающая локализованное накопление повреждений, что препятствует созданию трещин от усталости. В серии испытаний исследовательская команда обнаружила, что NTD-Al сплав достиг устойчивости к усталости 260 МПа, что было в два раза больше, чем у других сплавов Al.

NTD-Al уже был использован для изготовления прототипов больших тонкостенных конструкций, включая лопасти вентиляторов двигателей самолетов, которые требуют высокую усталостную прочность. Сплав успешно прошел тестовые испытания на усталость.

Эти результаты указывают на потенциал применения нашего сплава в легких конструкциях, использующихся в отраслях, где свойства усталости являются ключевым критерием проектирования. Наш сплав может помочь уменьшить вес, увеличивая эффективность нагрузки двигающихся компонентов, — Лу Жен.