Учёные из Калифорнийского технологического института разработали метод создания металлических объектов точно заданной формы и состава. Это даёт им беспрецедентный контроль над металлическими смесями, или сплавами, которые они создают, и улучшенными свойствами, которые будут демонстрировать их изделия.
Хотите получить стент, который будет биосовместимым и механически прочным? Как насчёт прочных, но лёгких компонентов спутников, которые могут работать в космосе десятилетиями? Новая методика позволяет учёным точно определить, какая комбинация металлов даст наилучший результат. Кроме того, она открывает путь к созданию сплавов с полезными свойствами, определяемыми их внутренней структурой, например, удивительно прочных сплавов меди и никеля.
Традиционные методы и новые горизонты
«Если посмотреть на то, как веками велась металлургия, в общих чертах, почти всегда начинали с сырой руды, которую затем термически и/или химически обрабатывали и очищали для получения желаемого металла или сплава. И в основном механические свойства металлов, полученных таким образом, ограничены», — говорит Джулия Р. Грир, профессор материаловедения, механики и медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте и исполнительный директор по прикладной физике и материаловедению в Калифорнийском технологическом институте.
«То, что мы показываем, — это возможность точно настроить химический состав и микроструктуру металлических материалов, существенно повышая их механическую устойчивость», — объясняет Грир.
Описание нового метода
Грир и её коллеги описывают новый метод в статье, опубликованной в журнале Small. Ведущим автором статьи является Томас Т. Тран (доктор философии, 2025), а вторым автором — Ребекка Галливан (доктор философии, 2023), бывший член лаборатории Грир, которая в настоящее время является доцентом инженерного дела в Дартмутском колледже.
Новая методика основана на предыдущей работе лаборатории Грир, в которой учёные показали, как использовать форму 3D-печати, или аддитивного производства, для создания сложных металлических структур микромасштаба.
Ранее этот метод, называемый гидрогелевым аддитивным производством (HIAM), использовался для тщательного создания структур из одного типа металла. В новой работе Тран придумал способ внедрить более одного металла одновременно, создавая сплавы меди и никеля, содержащие заданные проценты меди и никеля — различия, которые имеют значение, когда дело доходит до свойств материала.
Процесс создания сплавов
Процесс начинается с 3D-печати органического гидрогелевого материала, послойно нанося полимерную смолу именно там, где это необходимо, для создания гелеобразного каркаса. Затем каркас насыщается ионами металлов путём заливки жидкого раствора солей металлов на структуру. Далее, в процессе, называемом кальцинацией, учёные сжигают материал, удаляя все органические вещества и оставляя металлы. Поскольку это делается в присутствии кислорода, остаётся смесь оксидов металлов.
В инновационном следующем шаге, называемом восстановительным отжигом, Тран повышает температуру в среде водорода, заставляя большую часть кислорода диффундировать обратно из твёрдого вещества; затем он реагирует с водородом, образуя водяной пар. В результате остаётся металлическая структура желаемой формы, представляющая собой сплав двух добавленных металлов.
«Состав можно варьировать любым способом, который вам нравится, что было невозможно в традиционных процессах металлургии», — объясняет Грир. «Один из наших коллег описал эту работу как перенос металлургии в XXI век».
Анализ микроструктуры и механические испытания
Анализируя микроструктуру, которая включает ориентацию отдельных кристаллических зёрен и границы между ними в сплавах, которые они произвели, и механически тестируя материалы, учёные смогли узнать больше об особых сплавах, изготовленных с использованием новой методики.
«Это закладывает основу для размышлений о дизайне сплавов, напечатанных на 3D-принтере, уникальным образом, отличным от других методов аддитивного производства микромасштаба», — говорит Галливан. «Мы видим, что среда обработки приводит к очень разным микроструктурам по сравнению с другими методами».
Используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) в Институте исследований материалов Калифорнийского университета в Ирвайне, исследователи из Калифорнийского технологического института смогли показать, что сплавы, полученные с использованием их метода HIAM, формируются более однородно, что приводит к более высокой степени симметрии в их кристаллической структуре.
Влияние на прочность сплавов
Тран объясняет, что форма, размер и ориентация металлических зёрен зависят от перехода между оксидом и металлом во время восстановительного отжига. При повышенных температурах образуются поры, поскольку водяной пар выходит. Рост зёрен металла замедляется этими порами и оксидами. Новая работа показывает, что этот рост модифицируется типами оксидов, присутствующих в этих 3D-печатных металлах.
В результате новая работа показывает, что прочность сплавов, созданных с помощью HIAM, определяется не только размером зёрен внутри металлов, как считалось ранее, но и их составом. Например, сплав Cu12Ni88 с 12 атомами меди на каждые 88 атомов никеля почти в четыре раза прочнее, чем сплав Cu59Ni41 с соотношением меди и никеля 59/41.
Исследования с помощью ПЭМ также показали, что процесс HIAM оставляет в этих сплавах крошечные оксидные включения, которые способствуют исключительной прочности материалов. «Из-за сложных способов формирования металла в ходе этого процесса мы обнаруживаем наноразмерные структуры, богатые интерфейсами металл–оксид, которые способствуют упрочнению наших сплавов до четырёх раз», — говорит Тран.
Статья озаглавлена «Многомасштабная микроструктурная и механическая характеристика бинарных сплавов Cu–Ni, восстановленных во время гидрогелевого аддитивного производства на основе инфузии (HIAM)».
Предоставлено Калифорнийским технологическим институтом.