Учёные заставили лазер мешать расплавленный металл — и получили сплавы мечты

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) представил новый метод металлической 3D-печати: расплавленный металл активно перемешивается прямо в ходе печати за счёт того, что лазер движется не по прямым линиям, а по петлевым эллиптическим траекториям. Это обеспечивает равномерное смешивание компонентов на атомном уровне. Для внедрения техники не требуется замена оборудования — достаточно обновить программное обеспечение, что даёт возможность уже работающим станкам смешивать сплавы, которые обычно плохо поддаются перемешиванию. Работа опубликована в журнале Additive Manufacturing. Эксперименты прошли верификацию на Усовершенствованном источнике фотонов (APS) в Аргоннской национальной лаборатории — крупнейшей и наиболее производительной рентгеновской установке в США, завершившей масштабную модернизацию в 2024–2025 годах. Команда в реальном времени наблюдала, как плотный тугоплавкий высокоэнтропийный сплав RHEA-19 и лёгкий титановый сплав соединяются в новый материал.

Источник изображения — Аргоннская национальная лаборатория

Что изменилось в схеме работы лазера

Метод модифицирует процесс лазерного послойного сплавления (laser powder bed fusion, PBF-LB): лазер расплавляет тонкие слои металлического порошка точка за точкой. При стандартной печати луч движется по прямым линиям, и каждая короткая ванна расплава лишь незначительно перемешивает свои компоненты. Исследователь NIST Хо Ян запрограммировал лазер так, чтобы тот рисовал петли, взбивая расплав, пока он остаётся жидким. Штатное программное обеспечение принтеров не поддерживает такие траектории, поэтому команде пришлось написать собственную управляющую программу с нуля.

«Коммерческие программы для металлических 3D-принтеров не умеют строить подобные траектории, — пояснил Хо Ян. — Возможности настройки пути лазера там крайне ограничены, поэтому нам пришлось писать программу самостоятельно.» Поскольку метод затрагивает только схему сканирования, в NIST считают, что промышленные станки смогут его освоить после обновления прошивки без какой-либо аппаратной доработки.

Почему смешивать металлы так сложно

Металлы различаются по плотности, температуре плавления и поверхностному натяжению. При охлаждении отливки это различие приводит к расслоению материала: компоненты не успевают перемешаться и образуют неоднородные, механически слабые участки. Особенно подвержены этой проблеме высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) — материалы, в которых пять и более металлов присутствуют в примерно равных долях, а не в виде одного основного элемента с малыми добавками. Тугоплавкие ВЭС (Refractory HEA, RHEA) отличаются исключительной прочностью при высоких температурах и устойчивостью к облучению, что делает их перспективными для авиационных двигателей, ядерных реакторов и аэрокосмических конструкций — однако именно их производство традиционными методами литья крайне затруднено. Активное перемешивание расплава в процессе печати позволяет обойти эти ограничения.

Источник изображения — Ф. Чжан / NIST. Исследователи применили рентгеновскую дифракцию: пучки рентгена проходят сквозь металл, рассеиваясь на атомах. По полученным дифракционным картинам можно восстановить атомную структуру материала в реальном времени

Как учёные проверили результат

Подтвердить, что металлы действительно образовали сплав, а не расслоились, можно было лишь зафиксировав атомную структуру в момент затвердевания расплава — процесс, занимающий менее секунды. Для этого команда обратилась в Аргоннскую лабораторию. После масштабной модернизации 2023–2024 годов Усовершенствованный источник фотонов стал ярчайшей в мире синхротронной рентгеновской установкой: его пучки в 500 раз мощнее, чем до обновления. Сравнение же с бытовым стоматологическим аппаратом и вовсе переводит разницу в порядок 500 миллиардов раз — этой яркости достаточно, чтобы считывать дифракционные картины с плотного расплава прямо в ходе его затвердевания. Дополнительно команда использовала электронную микроскопию для анализа готового твёрдого материала.

«Усовершенствованный источник фотонов — один из немногих фотонных источников в мире, достаточно мощных для подобных измерений», — отметил физик NIST Фань Чжан, один из руководителей проекта. В институте рассматривают наблюдение фазовых переходов in situ с такой временно́й разрешающей способностью как самостоятельный научный результат: ранее этим методом при столь высокой скорости процесса отследить кристаллизацию не удавалось.

Что это открывает на практике

Исследователи указывают на несколько перспектив промышленного применения. Во-первых, метод позволяет подавать в станок порошки элементарных металлов и смешивать их в сплав непосредственно при печати — вместо того чтобы хранить отдельный предварительно легированный порошок для каждой нужной композиции. Во-вторых, появляется возможность плавного изменения состава в пределах одной детали: лопатка турбинного двигателя могла бы плавно переходить между разными металлами, не имея сварного шва, который является уязвимым местом конструкции. «Металлическая 3D-печать способна создавать детали, которые прежде были невозможны», — подытожил Хо Ян.

Металлическая печать предъявляет принципиально иные требования, чем пластиковая: сплавы плавятся при экстремальных температурах и проходят через несколько фазовых переходов при охлаждении. Именно поэтому контроль над процессом смешивания на атомном уровне имеет здесь особое значение. NIST также включил эллиптические схемы сканирования в перечень стратегий управления микроструктурой, которые изучаются в рамках более широкой программы по снижению дефектности в аддитивном производстве.

Статья «Laser stirring with elliptical scanning enables on-demand alloying in additive manufacturing» опубликована в журнале Additive Manufacturing, том 118, 25 февраля 2026 года.