Учёные разработали революционный метод 3D-печати металлических сплавов с точным контролем состава

HIAM Cu_xNi_1-x сотовые решётки. Вторичные электронные микрофотографии, демонстрирующие морфологию поверхности и геометрию, сохраняющиеся после процесса HIAM в зависимости от состава (масштабная шкала 200 мкм). Автор: Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202501320

Учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали метод создания металлических объектов с точно заданной формой и составом, что позволяет контролировать свойства создаваемых сплавов на беспрецедентном уровне. Новая технология открывает путь к созданию биосовместимых медицинских стентов, сверхлёгких компонентов для спутников и других инновационных материалов.

«Если посмотреть на традиционную металлургию, она практически всегда начинается с сырой руды, которая затем подвергается термической или химической обработке. Однако механические свойства металлов, полученных таким способом, ограничены», — объясняет Джулия Р. Грир, профессор материаловедения и медицинской инженерии в Caltech.

Новый метод, описанный в журнале Small, основан на технологии 3D-печати под названием гидрогелевая инфузионная аддитивная металлургия (HIAM). Ранее её использовали для создания микроструктур из одного металла, но теперь учёные научились одновременно вводить несколько металлов, создавая сплавы с заданными пропорциями.

Процесс начинается с 3D-печати гидрогелевого каркаса, который затем пропитывают растворами металлических солей. После термообработки (кальцинации и восстановительного отжига) остаётся металлическая структура нужной формы и состава.

«Состав можно варьировать как угодно, что невозможно в традиционных металлургических процессах. Один из наших коллег назвал эту работу "введением металлургии в XXI век"», — говорит Грир.

HIAM Cu₁₇Ni₈₃ SADP при разных углах наклона. Дополнительные дифракционные картины для металлических зёрен, демонстрирующие нанокомпозитную структуру (масштабная шкала 10 нм^-1). Автор: Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202501320

Исследования с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) показали, что сплавы, полученные методом HIAM, обладают более однородной структурой и повышенной прочностью. Например, сплав Cu₁₂Ni₈₈ оказался почти в четыре раза прочнее, чем Cu₅₉Ni₄₁.

Учёные также обнаружили, что в процессе HIAM в сплавах образуются наноразмерные оксидные включения, которые дополнительно увеличивают прочность материала. «Мы наблюдаем наноструктуры с металл-оксидными границами, упрочняющими сплавы до четырёх раз», — отмечает ведущий автор исследования Томас Т. Тран.

Исследование опубликовано под названием «Multiscale Microstructural and Mechanical Characterization of Cu–Ni Binary Alloys Reduced During Hydrogel Infusion-Based Additive Manufacturing (HIAM)».

Дополнительная информация: Thomas T. Tran et al, Multiscale Microstructural and Mechanical Characterization of Cu–Ni Binary Alloys Reduced During Hydrogel Infusion‐Based Additive Manufacturing (HIAM), Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202501320