Новый тип титановой конструкции, напечатанной на 3D-принтере, был разработан австралийскими учеными. Она отличается исключительной прочностью, небольшим весом, а также устойчивостью к коррозии и высоким температурам. По мнению исследователей, благодаря относительно низкой стоимости и времени производства, этот материал в перспективе может использоваться в авиационной и космической отраслях, где в настоящее время применяются, среди прочего, дорогостоящие магниево-литиевые сплавы.
Метаматериалы — это искусственные материалы, то есть созданные в лаборатории, в том числе и напечатанные на 3D-принтере. Они могут состоять как из одного, так и нескольких обычных материалов. Их главное отличие от обычных — запланированное создателями наличие свойств, не встречающихся у последних.
За последние 20 лет инженеры разработали множество разнообразных метаматериалов с металлическими включениями в виде решетки — из титановых, алюминиевых сплавов, сплавов на основе никеля, нержавеющей стали. И хотя они оказались лучше большинства конструкционных материалов, лишь немногие из них были эффективнее тех же сплавов магния, благодаря низкой плотности, высокой удельной прочности и виброизоляционным характеристикам, эти материалы сегодня широко применяются в авиационной и ракетной технике.
В связи с этим, исследователи на протяжении длительного времени стремятся разработать материал, способный функционировать в жестких условиях, обладая высокой прочностью и устойчивостью к экстремальным температурам и давлению.
Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета в Австралии разработали новый метаматериал на основе титанового сплава Ti-6Al-4V (содержащий титан, шесть процентов алюминия и четыре процента ванадия), превосходящий по прочности самого надежного коммерческого магниевого сплава на 50 процентов WE54 аналогичной плотности (1,85 грамма на кубический сантиметр). Ti-6Al-4V — в аэрокосмической отрасли широко используется один из наиболее распространенных титановых сплавов, характеризующийся низкой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.
Природа послужила источником вдохновения для исследователей. В ходе изучения они обратили внимание на растения с прочными стеблями, имеющие пористую трубчатую структуру, которая обеспечивает сочетание прочности и легкости, например, кувшинки ( Victoria boliviana), а также кораллы (Tubipora musica). Затем исследователи предприняли попытку воссоздать данную структуру в реальных условиях, используя технологию 3D-печати.
«Ученые на протяжении многих лет пытались воспроизвести в металле эти природные пористые структуры, однако безуспешно. Основная проблема заключалась в возникновении напряжения в местах соединения внутренних стенок полостей, что приводило к разрушению образцов. Для достижения оптимальных результатов необходимо, чтобы напряжение распределялось равномерно по всему объему материала», — пояснил Ма Цянь (Ma Qian), руководитель исследования.
Для снижения высокого напряжения, возникающего в местах соединения трубчатой решетки, Цянь и его коллеги укрепили ее, наложив сверху вторую решетку и добавив тонкий крестообразный разрез, который проходит через трубы и соединения. Благодаря этому удалось равномерно распределить нагрузку при сжатии.
Для создания данной конструкции специалисты применили метод 3D-печати, основанный на лазерном плавлении металла внутри предварительно сформированного слоя ( Laser Beam Powder Bed Fusion). Это проверенная временем технология печати металлических изделий, использующая мощный лазер для плавления металлопорошковых композиций.
В ходе лабораторных испытаний, проведенных учеными при различных условиях, было установлено, что напечатанный метаматериал, а именно титановый куб, обладает на 50 процентов большей прочностью по сравнению с магниево-литиевым сплавом WE54, который признан наиболее надежным сплавом, применяемым в авиационной и космической отраслях.
Размеры образцов метаматериала могут варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких метров, в зависимости от возможностей используемого оборудования для печати. При данной рецептуре они способны выдерживать нагрев до 350 градусов Цельсия, а при использовании более жаропрочных титановых сплавов – до 600 градусов.
По словам авторов исследования, в ближайшем будущем их материал будет пригоден для изготовления частей авиационной и ракетной техники, беспилотных пожарных систем, а также для создания костных имплантатов в медицине, где сложная, частично пустая форма может со временем заполняться отросшими клетками костной ткани.