Характеризация микроструктурных, магнитных и термических свойств Fe–45Ni, полученного методом лазерного послойного спекания порошка

Металл, который сохраняет форму и магнитные свойства

Современным спутникам, телескопам и приборам высокой точности нужны металлические детали, которые почти не меняют размер при изменении температуры, но при этом сильно реагируют на магнитные поля. В этом исследовании рассматривается многообещающий состав для таких деталей: сплав железа и никеля с содержанием никеля 45 % (Fe–45Ni), изготовленный не традиционным литьём и механообработкой, а методом 3D-печати с помощью лазера. Работа показывает, как подобрать параметры печати, чтобы получить плотный сплав с высокой магнитной активностью и исключительной термической стабильностью.

Почему важен 3D-печатный сплав

Сплавы железа и никеля уже используются в устройствах, которым требуются надёжная магнитность и очень низкое термическое расширение — от точных часов до конструкций космических аппаратов. Но традиционные методы изготовления испытывают трудности при создании сложных форм без трещин, отходов материала и дорогостоящей дообработки. Лазерное послойное спекание порошка, метод металлической 3D-печати, даёт возможность формировать сложные детали напрямую из порошка. Проблема в том, что интенсивный, быстро перемещающийся лазер создаёт резкие температурные градиенты, которые могут привести к порам, трещинам и остаточным напряжениям. Авторы поставили задачу выяснить, можно ли напечатать Fe–45Ni так, чтобы избежать этих недостатков и сохранить уникальное сочетание магнитной силы и размерной стабильности.

Как печатали металл и как его исследовали

Исследователи начали с сферического порошка Fe–45Ni, полученного газовой атомизацией, выбранного за хорошую текучесть в принтере. Для построения образцов они использовали коммерческую машину лазерного послойного спекания и напечатали небольшие кубы размером 7×7×7 мм по шахматному рисунку сканирования, меняя мощность лазера и скорость сканирования при фиксированной толщине слоя и шаге штриховки. После печати кубы разрезали и полировали, а затем изучали с помощью оптической и электронной микроскопии для оценки плотности и выявления пор и трещин. Также применяли рентгеновскую дифракцию для определения кристаллической структуры и более продвинутые методы микроскопии для картирования формы и ориентации зерен. В конце команда измеряла магнитные свойства вдоль разных направлений и оценивала тепловое расширение сплава при нагреве от комнатной температуры до 500 °C.

Поиск оптимума условий печати

Исследование показало, что и недостаточная, и избыточная энергия лазера ухудшают качество сплава. При низкой мощности лазера или очень высокой скорости сканирования слои металла не успевают полностью сплавиться, что даёт неправильные пустоты и единичные горячие трещины. При очень высокой энергии газ, захваченный в исходном порошке или образующийся в процессе плавления, запечатывается внутри в виде округлых пор. Тщательно уравновешивая мощность лазера и скорость сканирования, команда достигла очень высокой относительной плотности около 99,3 % при 85 Вт и 300 мм/с, оставив лишь тонкие разрозненные поры. При лучших условиях внутренняя структура в основном состояла из плотно упакованных колонновидных зерен, растущих по направлению сборки, перемежающихся с небольшим количеством более мелких блочнообразных зерен. Эта текстурированная зеренная структура, обусловленная тепловыми потоками при затвердевании, оказалась важной для магнитного отклика сплава.

Магнитная сила и термическая стабильность

При измерениях магнитных свойств вдоль и поперёк направления сборки напечатанный Fe–45Ni проявил себя как мягкий магнит в обоих направлениях — он легко намагничивается и теряет большую часть намагниченности при снятии поля. Однако ответ был анизотропным. Вдоль направления сборки материал показывал большую магнитную проницаемость (легче намагничивался) и меньшую коэрцитивность (для разворота намагниченности требовалось меньше поля). Поперёк направления сборки требовалось большее поле, вероятно, потому что поры, границы зерен и остаточные напряжения препятствовали движению магнитных доменных стенок. Несмотря на эти несовершенства, максимальная намагниченность сплава была высокой, чему способствовало относительно большое содержание железа. Тепловые испытания показали, что между комнатной температурой и примерно 400 °C расширение сплава оставалось очень небольшим и практически одинаковым в разных направлениях, с коэффициентом около 6×10⁻⁶ на градус Цельсия — близким к так называемому поведению Инвара. Только выше примерно 415 °C, близко к температуре Кюри, при которой магнитность исчезает, сплав начинал расширяться значительно быстрее.

Что это значит для практических применений

Проще говоря, авторы показывают, что Fe–45Ni можно 3D-печатать в плотные, безтрещинные детали, которые сохраняют практически неизменный размер при нагреве и охлаждении, оставаясь при этом сильными и легко управляемыми магнитами. Подбором подходящих параметров лазера минимизируют дефекты и формируют внутреннюю зеренную структуру так, чтобы направление сборки стало наиболее легким путём для намагничивания. Эти свойства делают напечатанный сплав привлекательным кандидатом для точных компонентов в аэрокосмической и других высокотехнологичных областях, где критически важны и магнитные характеристики, и размерная стабильность.

Цитирование: Sim, N., Jung, H.Y. & Lee, KA. Characterization of the microstructural, magnetic, and thermal properties of Fe–45Ni fabricated by laser powder bed fusion. Sci Rep 16, 8049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37507-w

Ключевые слова: сплав Fe–Ni, лазерное послойное спекание порошка, мягкие магнитные материалы, низкое термическое расширение, добавочное производство