О дамасской стали складывали легенды. В прошлом кузнецы могли влиять на свойства сплавов только путем корректировки содержания углерода. Они получили либо мягкую, но прочную, либо твердую, но хрупкую сталь, для мечей же требовался прочный и твердый материал, чтобы лезвия не ломались и не тупились в бою.
3D-принтеры для аддитивного производства стали стандартом во многих отраслях промышленности всего за несколько лет. Новая технология 3D-печати позволяет создавать слои с различными свойствами.
Дамасская сталь — и ее современные версии — фактически, синоним художественной ковки. Стальную заготовку тысячи раз сгибают и сплющивают, чтобы получить красивые узоры. Однако смысл процесса не только в эстетике — перемежающиеся слои мягкой, но гибкой и жесткой, но хрупкой стали дают оптимальный эффект. Обычно таким сложным методом изготавливали мечи, которые не тупились.
Кельтские кузнецы объединили различные железные сплавы (возможно, первоначально только для переработки ценного железа) и таким образом получили материал, который позже стал известен как дамасская сталь.В то время как индийский и арабский булат был создан с помощью сложного процесса плавки, европейские кузнецы развили искусство складывания двух сплавов во множество тонких слоев. Слоистую структуру дамасской стали обычно можно узнать по характерному рисунку.
Композитный материал, полученный на 3D-принтере исследователями Макса Планка и Фраунгофера, четко показывает чередующиеся твердые и пластичные слои. Технология, с помощью которой они производятся, создает новые возможности для влияния на свойства материала при производстве добавок. Идея ученых заключалась в том, чтобы применить послойную печать для управления температурой каждого слоя, чередуя более мягкие и гибкие слои с более твердыми. Для этого они просто отключили лазер на пару минут после печати очередного слоя.
Для того чтобы напечатать имитацию дамасской стили, инженеры из Института Макса Планка использовали сплав никеля, титана и железа, который хорошо зарекомендовал себя в 3D-печати.
«Нам удалось изменить микроструктуру отдельных слоев во время 3D-печати, чтобы конечный компонент имел желаемые свойства — и все это без последующей термической обработки стали», — говорит Филипп Кюрнштайнер, постдокторский исследователь в MPIE.
Металлический порошок наносится слой за слоем и нагревается лазером. Быстрое охлаждение ведет к формированию кристаллической структуры, как и в случае закаливания стали. Но последующее нагревание приводит к осаждению микроскопических частиц никеля-титана-железа внутри стали, что значительно повышает твердость изделия.
Луч лазера позволяет не только плавить материал, но и нагревать верхний слой уже растворенного металла. Это именно то, что команда исследователей Макса Планка в Дюссельдорфе специально использовала для изменения кристаллической структуры стали в отдельных металлических слоях и, таким образом, влияла на механические свойства без изменения химического состава.
При определенных условиях образуются мелкие никель-титановые микроструктуры. Они укрепляют материал. Подвергаясь механическим воздействиям, они препятствуют движению внутри кристаллической решетки, что характерно для пластической деформации.
Чтобы иметь возможность создавать никель-титановые структуры, исследователи прерывают процесс печати на определенное время после каждого вновь нанесенного слоя. Металл остывает до температуры ниже 195°C. «Ниже этой температуры в стали происходит трансформация кристаллической структуры», — объясняет Эрик Ягле, руководитель группы «Сплавы для аддитивного производства» в Max-Planck-Institut für Eisenforschung и с января 2020 года профессор в университете Бундесвера Мюнхен. «Формируется так называемая мартенситная фаза, и только на этой фазе могут быть созданы никель-титановые микроструктуры». Однако для того, чтобы образовались осадки, необходим повторный нагрев.
Этот дополнительный эффект, вызванный лазерным лучом 3D-принтера, называется внутренней тепловой обработкой. Слои, которые были непосредственно покрыты следующим слоем без перерыва, остаются более мягкими, потому что они еще не представлены в качестве мартенсита в этой точке.
Впервые исследователи смогли создать композитный материал, состоящий из слоев с различными свойствами, из одного исходного материала непосредственно в процессе производства. Kürnsteiner впечатлен механическими свойствами материала, полученного таким образом: «Испытания подтверждают превосходное сочетание прочности и пластичности».
Многочисленные параметры процесса подходят для воздействия на микроструктуры во время 3D-печати. Ягле объясняет, что в дополнение к времени паузы, которое варьируется в данном исследовании, образование мартенсита и последующее упрочнение осадков также можно контролировать, изменяя энергию лазера, фокусировку лазера или скорость печати, а также методы внешнего нагрева и охлаждения.
Тщательно проанализировав первый напечатанный образец под микроскопом и даже составив атомную карту слоев, исследователи убедились, что смогли добиться желаемого результата. Затем они поэкспериментировали с временем отключения лазера и прочими факторами, влияющими на конечный продукт.
Ученые провели испытание на прочность двух напечатанных образцов: одного кубика «дамасской» стали и одного — обычной, однослойной стали. Многослойный оказался заметно прочнее, выдержав на 20% больше растягивающего усилия. Хотя он не достиг показателей дамасской стали, выкованной традиционным способом, предложенный метод позволяет повысить прочность стали быстрее и дешевле.
Крупный план слоистого металла (вверху слева) с анализом атомного картирования, показывает темные пятна осажденного никель-титана. График внизу справа показывает состав (область прямоугольника, выделенная пунктиром).
Исследователи подчеркивают, что дамасская сталь с ее периодически меняющимися слоями является лишь одним из примеров локального влияния на микроструктуру сплава в процессе производства. Например, одинаково возможно создавать компоненты инструмента с непрерывным мягким внутренним слоем, окруженным твердым, стойким к истиранию внешним слоем. По словам исследователей, также возможно использовать технологию для локальной настройки других свойств, таких как устойчивость к коррозии.
«Эта технология открывает новые возможности для настройки локальных микроструктур определенным образом во время аддитивного производства даже сложных деталей и делает ненужной последующую обработку», — говорит Кюрнштайнер. Исследователь также предлагает сменить парадигму: «До сих пор обычной практикой было использование обычных сплавов в 3D-печати. Однако многие известные стали не оптимально подходят для аддитивного производства. Наш подход заключается в разработке новых сплавов, которые могут использовать весь потенциал 3D-печати».
Источник: Журнал «Наука и Техника» https://naukatehnika.com/</
