俄羅斯科學(xué)家借助3D打印開發(fā)出青銅鋼新合金

來源： 增材制造技術(shù)前沿

2023年1月13日，南極熊獲悉，俄羅斯Skoltech（斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究院）的科學(xué)家近期公布了一種使用3D打印技術(shù)制造的青銅鋼合金，這種新型合金融合了青銅和鋼的獨特特性——受益于鋼的耐極端溫度能力和青銅的導(dǎo)熱能力，新材料可用于制造飛機和火箭發(fā)動機的燃燒室。

該研究以“Mechanical characteristics of laser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cu system”為題發(fā)表在《材料與設(shè)計》雜志上。研究人員首次使用直接激光沉積工藝制造了青銅鋼合金。Skoltech團隊以兩種不同的方式將青銅和鋼結(jié)合起來——獲得所謂的準(zhǔn)均質(zhì)合金和夾層結(jié)構(gòu)。

△研究人員制造的準(zhǔn)均質(zhì)青銅鋼合金制成的垂直桿

準(zhǔn)均質(zhì)合金意味著兩種材料均勻混合在整個樣品中，而夾層結(jié)構(gòu)則由一系列交替的0.25毫米厚的青銅和鋼層組成。激光能量沉積裝置采用同時進料青銅和鋼粉或者交替沉積的形式制造兩種材料或結(jié)構(gòu)。鋼粉采用的是316L不銹鋼，青銅粉則分為鋁青銅、錫青銅以及鉻青銅。研究人員分別對由不同銅合金組成的銅鋼均質(zhì)合金（50：50、75：25兩種成分）以及夾層結(jié)構(gòu)進行了研究，共進行了8組實驗。

研究證實，這兩種材料熔合良好，沒有形成缺陷。該團隊3D打印了測試樣條，檢查了它們的形狀、化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)。研究人員表示，“當(dāng)出現(xiàn)問題時，樣品的形狀可能會明顯變形，或者在3D打印過程中可能會開裂。這意味著要么使用的材料不合適，要么條件設(shè)置不當(dāng)�！痹诖穗A段沒有發(fā)現(xiàn)任何問題后，研究人員開始從樣品的不同部位切出樣塊，并使用光學(xué)和掃描電子顯微鏡研究內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

△青銅鋼合金中青銅和鋼的交替區(qū)域

對復(fù)合材料進行廣泛的機械測試，獲得了主要的機械特性。其中，由鋁青銅和鋼以1:1混合的材料得到了最高的力學(xué)性能，其中抗拉強度達(dá)到838.6Mpa，屈服強度665Mpa，應(yīng)變斷裂比為0.035，這些材料性能是首次被報道。

△用于機械測試的準(zhǔn)均質(zhì)樣品

該研究成功證實了鋼和青銅可以通過3D打印制造出新的合金，從而能夠探索可能的應(yīng)用。未來，研究人員將測試青銅鋼燃燒室，鋼材可以抵抗運轉(zhuǎn)中發(fā)動機燃料燃燒產(chǎn)生的高溫，但與青銅相比，鋼的導(dǎo)熱率不足，因此發(fā)動機冷卻液無法有效從中吸走熱量防止過熱和損壞。借助3D打印，可以通過制造由梯度材料構(gòu)成的燃燒室，確保熱量快速導(dǎo)出，同時保障結(jié)構(gòu)強度。除此之外，研究人員還將測試其他金屬組合，如制造由超級合金制成的渦輪葉片等。

3D打印再一次證明在開發(fā)新材料方面具有重要的優(yōu)勢，由其制成的復(fù)合材料將具備兩種或多種金屬的優(yōu)勢，因此也得到各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。