Это интересная разработка в области материаловедения, которая прекрасно иллюстрирует последние технологические достижения. Исследователи из Национальной лаборатории Сандиа создали суперсплавы с использованием технологии аддитивного производства (3D-печати). На первый взгляд это может показаться не таким впечатляющим, но подумайте о том, какой потенциал здесь заложен. Мы наблюдаем слияние множества современных технологий. Это создает синергетический эффект, который открывает новые возможности и ускоряет прогресс.
Сначала давайте поговорим о сплавах – металлических материалах, состоящих из двух или более элементов. Самым известным и полезным сплавом является сталь, представляющая собой сплав железа и углерода. Еще одним древним и важным сплавом является бронза, представляющая собой комбинацию меди и олова. Сегодня в промышленности используется около 3500 различных сплавов стали, каждый из которых обладает немного отличающимися свойствами. Многие сплавы – это просто железо и углерод с разным процентным содержанием углерода и различной термической обработкой, но также в углеродистую сталь добавляют около 20 элементов для получения различных сплавов. Сплавы изменяют твердость, прочность, пластичность, температуру плавления, устойчивость к ржавчине и эксплуатационные характеристики в различных условиях.
После пары тысяч лет работы со сталью вам может показаться, что мы уже разработали большинство оптимальных сплавов, но 75% современных сплавов были разработаны за последние 20 лет. Подумайте о количестве различных комбинаций сплавов, содержащих 20 различных элементов, каждый из которых может быть добавлен в разном количестве. Скорее всего, мы только приблизились к цели методом проб и ошибок.
Суперсплавы – это, по сути, высокопрочные сплавы. Большинство современных жаропрочных сплавов изготавливаются на основе никеля и кобальта, и основным свойством, определяющим свойства жаропрочных сплавов на основе никеля, является их способность сохранять высокую прочность, близкую к температуре плавления. Обычные сплавы, как правило, начинают терять значительную прочность при температуре, превышающей половину их температуры плавления. Помните споры о “плавлении стали в огне” в связи с башнями-близнецами? Тепла, выделяемого пожарами в зданиях, было недостаточно, чтобы расплавить сталь, но его было более чем достаточно, чтобы ослабить сталь до такой степени, что она больше не могла поддерживать конструкцию.
Металлы, работающие при высоких температурах, необходимы для многих промышленных применений, включая аэрокосмическую промышленность и производство энергии. Лопатки турбин, например, могут нагреваться только до тех пор, пока не ослабнут, и часть тепла необходимо отводить в качестве отходов, чтобы поддерживать их рабочую температуру. Это свидетельствует об огромной неэффективности производства электроэнергии из пара (именно так работают все электростанции, работающие на ископаемом топливе, геотермальные и атомные электростанции). Установка, которая может работать при более высокой температуре, повысила бы эффективность значительной части производства электроэнергии. Воздух и космические аппараты также должны работать при высоких температурах, как и многие детали двигателей для большинства применений.
Исследователи из Sandia создали сплав, состоящий из 42% алюминия, 25% титана, 13% ниобия, 8% циркония, 8% молибдена и 4% тантала. Это необычно для большинства сплавов, поскольку существует большое количество сплавов, и ни один из них не содержит более 50%. Например, большинство стальных сплавов в основном состоят из железа. Этот новый сплав называется “сплавом с несколькими основными элементами”, поскольку в его состав входят как минимум два основных элемента. В результате получается легкий и прочный сплав, который сохраняет свою прочность при температуре до 800 °C (1472 °F). Легкий и прочный сплав с высокой рабочей температурой – это идея для аэрокосмической промышленности и производства энергии.
Возможно, более интересным является то, как они изготовили этот новый сплав – они напечатали его на 3D-принтере. Они взяли порошкообразные металлы, расплавили их с помощью лазера, а затем соединили в точных пропорциях и напечатали желаемый объект. Это важно из–за еще одного аспекта сплавов – внутренней структуры. Свойства сплава зависят не только от сочетания элементов, из которых он изготовлен, но и от структуры атомов. Сталь, например, может подвергаться термической обработке различными способами, чтобы повлиять на размер кристаллических зерен и сделать ее более прочной или более твердой. Закаленная кромка лезвия после нагрева до определенной температуры подвергается быстрому охлаждению (закалке), что позволяет получить зерна небольшого размера для достижения оптимальной твердости. Процесс 3D-печати может быть использован не только для точного контроля процентного содержания сплавов, но и для воздействия на их внутреннюю структуру, что не менее важно для свойств получаемого суперсплава.
Существуют обычные оговорки. Это исследование является подтверждением концепции. Некоторые из этих элементов дороги и поэтому вряд ли появятся в потребительских товарах, хотя NASA и SpaceX, вероятно, проявят к ним большой интерес. Кроме того, процесс 3D-печати может привести к образованию микротрещин, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках и долговечности материала. Поэтому следите за исследованиями, направленными на решение этой проблемы. Хорошей новостью является то, что 3D-печать легко масштабируется. Это одно из ее преимуществ – просто покупайте больше 3D-принтеров. Кроме того, она очень легко “переоборудуется” – просто измените состав порошков в подаче и программу, и вы сможете очень быстро перейти к производству чего-то другого. По этой причине он также идеально подходит для создания прототипов и экспериментов.
Но, тем не менее, при таком большом количестве возможных комбинаций сплавов мы можем надеяться протестировать только самую малую их часть в поисках идеальных суперсплавов. Именно здесь появляется еще одна новейшая технология – искусственный интеллект. Еще одним преимуществом этого недавнего исследования является то, что оно позволяет исследователям понять, почему новый суперсплавный сплав обладает такими свойствами. Цель состоит в том, чтобы иметь возможность предсказать, как разное процентное содержание различных сплавов и производственный процесс повлияют на конечный материал, а затем использовать эту информацию для моделирования с помощью искусственного интеллекта. Затем запустите его и протестируйте триллионы потенциальных комбинаций, чтобы получить многообещающие результаты для последующей физической проверки.
Я часто утверждал, что материаловедение сильно недооценивается в популярных средствах массовой информации, но оно оказывает невероятное влияние на наши технологии. Разработка нового материала с новыми свойствами может изменить ситуацию, сделав возможными новые технологии и радикально изменив компромиссы, доступные при использовании существующих материалов. Также часто недооценивают синергетический эффект от применения нескольких технологий. Часто по умолчанию новую технологию рассматривают изолированно, но мы всегда должны рассматривать ее в контексте других технологий (как конкурирующих, так и поддерживающих). Здесь мы видим потенциал искусственного интеллекта, аддитивного производства и материаловедения из жаропрочных сплавов. Это действительно меняет правила игры.
