Российские исследователи выяснили, как условия лазерного воздействия влияют на свойства сплава с памятью формы на основе никелида титана. Учёные показали, что, изменяя мощность лазера и скорость сканирования, можно «программировать» свойства материала: например, температуру, при которой он восстанавливает свою форму. Результаты исследования открывают перспективы для создания научно-обоснованных подходов к 4D-печати.
Никелид титана плохо поддаётся механической обработке, а изготовление деталей требует большого количества дополнительных операций. Поэтому всё больше внимания уделяется аддитивным технологиям — в частности, технологии селективного лазерного плавления, в которой используется металлический порошок.
Учёные НИТУ МИСИС и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН изучили, как режимы лазерного синтеза влияют на свойства никелида титана. Для этого они изготовили тонкостенные образцы с помощью технологии Laser Powder Bed Fusion (селективное лазерное плавление) — метода, при котором лазер послойно расплавляет металлический порошок. Исследователи изменяли мощность лазера и скорость его перемещения, чтобы понять, как именно эти параметры меняют температуру фазового перехода, фазовый состав и количество обратимой деформации. Эти экспериментальные данные позволили установить, из-за чего происходит изменение свойств при лазерном синтезе.
«В Университете МИСИС на протяжении нескольких десятилетий развивается направление „Сплавы с памятью формы“: созданные за это время материалы и технологии используются во многих отраслях отечественной промышленности, успешно внедрены в производство. Учёные НИТУ МИСИС изучили влияние параметров 3D-печати на свойства сплава на основе никелида титана. Этот материал используют в медицине, авиации, робототехнике и микроэлектронике благодаря сочетанию прочности, гибкости и способности возвращаться к исходной форме. Именно из этого сплава делают, например, стенты для сосудов, ортодонтические дуги и некоторые виды имплантатов. Результаты исследования открывают перспективы для создания усовершенствованных медицинских изделий, миниатюрных приводов и элементов для 4D-печати», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
Совместно с коллегами из «Кинтех Лаб» учёные впервые провели расчеты динамики испарения двух компонентов (никеля и титана) при селективном лазерном плавлении.
«С помощью сопоставления расчетов по бикомпонентному испарению и экспериментальных данных, нам удалось установить, что основной механизм изменения характеристик никелида титана при лазерном синтезе связан в первую очередь с изменением химического состава из-за разных температур испарения и давления насыщенных паров никеля и титана», — рассказал научный сотрудник Кинтех Лаб Андрей Закиров.
Такой подход особенно важен для 4D-печати — когда напрямую при консолидации изделия локально контролируются его свойства (в данном случае температура фазового перехода). Возможность заранее задавать нужное поведение материала открывает путь к созданию «умных» конструкций нового поколения.
«Главный результат работы — подтверждение того, что свойства сплава можно „настраивать“ прямо в процессе печати, без дополнительной термообработки. Оказалось, что при изменении параметров лазерного синтезатемпература фазовых превращений может смещаться почти на 45°C. Иначе говоря, мы получили возможность управлять температурой, при которой материал начинает восстанавливать форму», — отметил заведующий лабораторией аддитивного производства НИТУ МИСИС Станислав Чернышихин.
Полученные результаты могут быть востребованы при производстве персонализированных медицинских имплантатов, миниатюрных механизмов, гибких соединений и устройств для робототехники. Кроме того, работа может стать основой для разработки промышленных протоколов печати никелида титана с заранее заданными характеристиками — под конкретные задачи и условия эксплуатации.
Подробности исследования опубликованы в научном журнале Journal of Manufacturing and Materials Processing (Q1). Работа проведена при поддержке Российского научного фонда (проект №
