Группа исследователей из Института материалов IMDEA и Мадридского университета имени Карлоса III (UC3M) в сотрудничестве с коллегами из Франции и Японии опубликовала в журнале Journal of the Mechanics and Physics of Solids исследование, в котором подробно описывается поведение микроскопических дефектов в металлах, полученных методом аддитивного производства, при экстремальных динамических нагрузках.

В исследовании основное внимание было уделено сплавам AlSi10Mg и Ti-6Al-4V, двум широко используемым в лазерном порошковом наплавлении (LPBF), которые подвержены образованию микроскопических пор в готовой детали, и были воспроизведены условия, непосредственно характерные для компонентов аэрокосмической, транспортной и оборонной отраслей.

Эксперименты проводились на Европейском синхротронном источнике излучения (ESRF) во Франции, где образцы подвергались ударам со скоростью до 750 метров в секунду, а сверхбыстрая рентгеновская фазово-контрастная визуализация, работающая с наносекундным временным разрешением, регистрировала внутренний отклик.

Результаты оказались весьма интригующими. Визуализация зафиксировала устойчивую последовательность разрушения в обоих сплавах: первоначальная ударная волна вызывала схлопывание пор, за которой следовало повторное открытие и рост пор по мере того, как волны напряжения вызывали растяжение, в конечном итоге приводя к соединению пустот и образованию так называемого сколового разрушения — внутренней трещины, которая образуется вдали от поверхности и поэтому труднее обнаруживается, чем обычные разрушения, инициированные на поверхности.

От масштаба пор до макроскопического разрушения

«Этот подход позволяет нам напрямую наблюдать за тем, как образуются и развиваются повреждения внутри металлов, изготовленных методом аддитивного производства, при экстремальных нагрузках», — сказал доктор Федерико Скет, старший научный сотрудник Института материалов IMDEA.

Профессор Хосе А. Родригес Мартинес, профессор Калифорнийского университета в Тринидаде и Тобаго (UC3M) и приглашенный научный сотрудник IMDEA Materials, заявил: «Впервые мы можем связать то, что происходит на микроскопическом уровне, с макроскопическими сигналами, измеренными во время экспериментов по ударному воздействию».

Несмотря на различия в морфологии разрушения сплавов AlSi10Mg и Ti-6Al-4V , оба сплава характеризовались одним и тем же механизмом роста и слияния пустот.

Доктор Хавьер Гарсия Моллеха, научный сотрудник IMDEA Materials, заявил: «В целом, эта статья предоставляет новые данные о динамическом разрушении при растяжении металлов, напечатанных на 3D-принтере. Для этого используются последние достижения в области быстрой рентгеновской фазово-контрастной визуализации и томографии высокого разрешения, а также разработан систематический протокол для исследования механизмов разрушения пустот и отслаивания в пористых материалах, подверженных ударной нагрузке».

Исследовательская группа, в состав которой также входили представители Европейского синхротрона ESRF, Института Макса фон Лауэ-Поля Ланжевена во Франции и Японского института исследований синхротронного излучения (JASRI), предложила расширить экспериментальную модель на дополнительные марки алюминиевых и титановых сплавов, используемых в аддитивном производстве, а также на легкие металлы, используемые в печатном производстве, такие как магний.