Учёные из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) вместе с коллегами из Санкт-Петербургского государственного морского технического университета и других организаций нашли способ улучшить баланс между механической прочностью и пластичностью напечатанных на 3D-принтере изделий из алюминиевой бронзы. Этот сплав меди и алюминия с небольшой добавкой железа — перспективный материал для аддитивного производства теплообменников, охлаждающих уязвимые к перегреву электронные компоненты, такие как процессоры. Когда подобным компонентам приходится работать в экстремальных условиях в самолётах, ракетах или электромобилях, оптимизация прочности и пластичности использованных в них материалов становится задачей первостепенной важности. Исследование опубликовано в Journal of Alloys and Compounds.
«Теплообменник — это устройство, отводящее тепло от процессора или других тепловыделяющих компонентов. Чтобы хорошо справляться со своей задачей, он должен быть изготовлен из материала с высокой теплопроводностью и иметь правильную геометрию, — рассказывает ведущий автор исследования Анастасия Филиппова, аспирантка программы Сколтеха „Математика и механика“. — Алюминиевая бронза, напечатанная на 3D-принтере, обеспечивает удачное сочетание тепловых свойств и контроля над геометрией, однако сам процесс печати может приводить к неоптимальным механическим характеристикам. Это особенно важно для электроники, применяемой в ракетах и других аппаратах, подверженных ударным и вибрационным нагрузкам, а также многократным термическим и механическим воздействиям».
Чистая медь обладает исключительно высокой теплопроводностью, но именно по этой причине — а также из-за высокой отражающей способности — в качестве сырья она плохо совместима с традиционными методами 3D-печати с использованием инфракрасного лазера. Кроме того, высокая пластичность меди делает тонкие детали из этого металла склонными к деформации под механической нагрузкой. Легирование меди 10% алюминия и 1% железа помогает исправить оба этих недостатка, но цена этого — понижение теплопроводности. Также быстрое затвердевание в процессе печати может приводить к локальным колебаниям химического состава и неравновесной фазовой структуре. Эти особенности микроструктуры способны влиять на прочность и пластичность напечатанного изделия.
Когда сканирующая электронная микроскопия подтвердила наличие тех самых неравновесных участков в микроструктуре образцов алюминиевой бронзы, напечатанных на 3D-принтере, научный коллектив предположил, что стандартный метод термической постобработки материала может решить проблему неоднородности.
«Однако напечатанные на 3D-принтере материалы всегда несколько отличаются по микроструктуре от того же самого сплава, полученного другими методами. Из-за этого нет гарантий, что проверенный метод вроде термической постобработки сработает. Более того, он может даже ухудшить свойства материала. Или может потребоваться тонкая настройка параметров нагрева — и это как раз наш случай», — говорит научный руководитель исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин.
Поскольку стандартных протоколов термической постобработки алюминиевой бронзы после 3D-печати не существовало, учёные опробовали сразу три варианта нагрева, выдержав образцы в электропечи в течение трёх часов при температуре 300, 400 и 500 градусов Цельсия. Затем обработанные таким образом изделия сравнили друг с другом и с алюминиевой бронзой, которая не подвергалась дополнительным воздействиям после 3D-печати.
Оказалось, что термообработка при 300 и при 400 градусах Цельсия приводила к появлению неравновесных фаз, снижающих пластичность и делающих сплав более хрупким. Нагрев же до 500 градусов, напротив, уменьшал химическую неоднородность и способствовал диффузионным процессам, формируя более стабильную микроструктуру и хороший баланс прочности и пластичности.
