Utrujenost se nanaša na pojav materialov, ki se postopoma kvarijo in sčasoma zlomijo pod ciklično obremenitvijo. Pri strukturah, ki so bistvenega pomena za življenjsko varnost, kot so lopatice letalskih motorjev in podvozje, je zmogljivost zaradi utrujenosti glavno merilo načrtovanja. Neizogibne mikroskopske pore v 3D-natisnjenih delih, podobno kot zračni mehurčki v steklu, lahko pod ciklično napetostjo postanejo točke začetka razpok, kar vodi do prezgodnje okvare komponent. Prej so inženirji za odstranjevanje teh por običajno uporabljali vroče izostatično stiskanje (HIP). Vendar pa je ta metoda dvorezen meč: medtem ko zdravi pore, tudi zoži edinstvene, fine mikrostrukture, ustvarjene s 3D-tiskanjem, kar izniči njegove potencialne prednosti. To je klasičen primer "otroka vrže ven skupaj s kopalno vodo."
Ali je mogoče odstraniti pore in hkrati ohraniti odlično mikrostrukturo 3D tiska? Raziskovalna skupina je odkrila "asinhrono" naravo fazne transformacije in rasti zrn v 3D-natisnjenih titanovih zlitinah in na podlagi tega razvila inovativen "brezhiben aditivni proizvodni proces." Jedro te tehnologije je v natančnem nadzoru termičnega cikla naknadne-obdelave: preden imajo zrna čas za rast, se fazna transformacija hitro zaključi in material se ohladi, s čimer se "zaklene" fina, enotna mikrostruktura, ki jo oblikuje 3D-tiskanje.
Rezultati so navdušujoči: "brezhibno natisnjena" titanova zlitina, obdelana s tehnologijo NAMP, popolnoma odpravi nevarne nezlite praznine v svoji strukturi, hkrati pa popolnoma ohranja prvotno drobnozrnato in lamelasto strukturo.
Vrhunska zmogljivost: Življenjska doba zaradi utrujenosti presega vse znane titanove zlitine. Še bolj impresivni so rezultati testa mehanskih lastnosti. Ta "brezhibna" titanova zlitina dosega mejo utrujenosti približno 978 MPa, kar je 106-odstotno izboljšanje glede na prvotno tiskano stanje. Predvsem pa ta številka ne le daleč presega vse znane 3D-natisnjene titanove zlitine, ampak tudi znatno presega titanove zlitine, proizvedene s tradicionalnimi postopki kovanja, in dosega vrhunec utrujanja podobnih materialov. Ko so raziskovalci primerjali specifično utrujenostno trdnost (razmerje med utrujenostno trdnostjo in gostoto, ki je ključnega pomena za letalsko in vesoljsko industrijo) z različnimi inženirskimi materiali, so ugotovili, da ta brezhibna natisnjena titanova zlitina zavzema zgornji desni kot grafikona in prekaša vsa jekla, aluminijeve zlitine, magnezijeve zlitine, visoko-temperaturne zlitine in celo visoko-entropijske zlitine, ki prikazuje ogromen potencial tehnologije 3D-tiskanja pri izdelavi komponent,-odpornih na utrujenost.
Zakaj so 3D-natisnjene mikrostrukture brez praznin tako robustne?
Raziskave kažejo, da edinstvena ultra-fina lamelarna struktura 3D-tiskanja učinkovito zavira lokalizirane koncentracije poškodb zaradi utrujenosti. V tradicionalnih titanovih zlitinah se razpoke zaradi utrujenosti pogosto začnejo v grobih zrnih ali območjih mehke faze, medtem ko fina struktura 3D-tiskanja enakomerno razprši napetost, kar oteži nastanek in širjenje razpok.
Obeti za prihodnost: Obnova 3D-tiskanja in odpiranje novih smeri. Ta raziskava popolnoma ovrže naše razumevanje učinkovitosti 3D-natisnjenih materialov. Zgovorno dokazuje, da 3D-natisnjena mikrostruktura sama po sebi ni slabost, temveč dragocen temelj za doseganje vrhunske odpornosti proti utrujenosti. Resnično ozko grlo je v napakah, ki jih povzroči postopek tiskanja. To delo kaže na dvojno pot optimizacije za razvoj tehnologije 3D tiskanja: na eni strani nadaljevanje optimizacije procesa tiskanja za zmanjšanje praznin; po drugi strani pa aktivno razvija nove tehnologije naknadne{10}}obdelave za natančen nadzor mikrostrukture. Še pomembneje je, da ima ta koncept »brezhibnega tiskanja« možnost, da se razširi na druge sisteme kovinskih materialov, kar vodi tehnologijo 3D-tiskanja v prostrani svet visoko{13}}zmogljive proizvodnje strukturnih komponent.
Informacije na papirju:
Naslov: Visoka odpornost proti utrujenosti v titanovi zlitini prek 3D-tiskanja skoraj-praznine-brez
Revija: Narava, 2024-02-28
Citiraj ta članek
Qu, Z., Zhang, Z., Liu, R. et al. Visoka odpornost proti utrujenosti v titanovi zlitini s 3D-tiskanjem, ki je skoraj{4}}prazni-brez. Narava 626, 999–1004 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1