NIMS и Высшая инженерная школа Университета Осаки преуспели в изготовлении монокристалла никеля с очень небольшим количеством кристаллических дефектов путем облучения никелевого порошка лазерным лучом большого радиуса с плоской вершиной (т. е. лазерным лучом, интенсивность которого одинакова по всему сечение балки). Этот метод может быть использован для изготовления широкого спектра монокристаллических материалов, в том числе термостойких материалов для реактивных двигателей и газовых турбин.
Предыдущие исследования показали, что монокристаллы могут быть изготовлены с использованием аддитивного производства с использованием электронного луча . Однако этот метод требует дорогостоящего оборудования, а его эксплуатация также обходится дорого из-за необходимости создания вакуума, что ограничивает его широкое применение. Хотя лазерное аддитивное производство может быть выполнено с использованием более дешевого оборудования, предыдущие попытки изготовления монокристаллов с использованием этой технологии потерпели неудачу. Когда необработанный металлический порошковый материал облучается лазерным лучом, он плавится, образуя границу раздела твердое тело-жидкость. Было трудно вырастить зерна вблизи границы раздела в одном направлении и предотвратить образование деформационных дефектов, вызванных их затвердеванием.
Было обнаружено, что эта проблема связана с профилем интенсивности обычных гауссовских лазерных лучей (т. е. лазерных лучей с колоколообразной интенсивностью в поперечном сечении луча), что вызывает образование поликристаллов, состоящих из менее ориентированных кристаллических зерен с много границ зерен.
Исследовательской группе Высшей инженерной школы Университета Осаки NIMS удалось изготовить монокристаллы с помощью лазерного луча с плоской вершиной , сформировав плоскую поверхность ванны расплава на порошках никеля. Отдельные кристаллические зерна росли в одном направлении с меньшим количеством дефектов, вызывающих деформацию. Монокристаллы без границ зерен, склонные к растрескиванию, очень прочны при высоких температурах. Этот новый метод позволяет свести к минимуму возникновение деформации и растрескивание кристаллов во время их затвердевания. Кроме того, этот метод не требует использования затравочных кристаллов, что упрощает процессы аддитивного производства.
Помимо никеля, этот метод лазерного аддитивного производства можно использовать для обработки других металлов и сплавов в монокристаллические объекты. Компоненты реактивных двигателей и газовых турбин становятся все более сложными по форме и легкими, растет спрос на аддитивное производство этих компонентов с использованием жаропрочных суперсплавов на основе никеля. Поскольку монокристаллы прочнее поликристаллов при высоких температурах, перспективно их практическое использование в качестве жаростойких материалов. Ожидается, что глобальные исследования и разработки, направленные на достижение этой цели с использованием более дешевой и широко используемой технологии лазерного аддитивного производства , будут быстро активизироваться.
Это исследование было опубликовано в журнале Additive Manufacturing Letters.
