Inovativní design titanové slitiny s vynikajícími vlastnostmi pomocí 3D tisku
Studie vedená vědci z City University of Hong Kong (CityU) úspěšně vyvinula superpevnou, vysoce tvárnou a superlehkou slitinu na bázi titanu pomocí aditivní výroby, běžně známé jako 3D tisk. Jejich zjištění otevírají novou cestu k navrhování slitin s nebývalou strukturou a vlastnostmi pro různé konstrukční aplikace.
Výzkumný tým vedl profesor Liu Chain-Tsuan, uznávaný univerzitní profesor na College of Engineering a senior inženýr Fellow of CityU's Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS). Dr. Zhang Tianlong, postdoktorant na katedře materiálových věd a inženýrství (MSE) prováděl experimenty. Jejich článek, ke kterému přispěl i prezident Way Kuo z CityU, byl nedávno publikován v prestižním vědeckém časopise Science s názvem „In situ design pokročilé titanové slitiny s modulacemi koncentrace pomocí aditivní výroby “.
3D tisk: Nejen technologie tvarování
Většina lidí považuje 3D tisk za revoluční technologii, která dokáže vyrobit strojní součásti složitých tvarů v jediném kroku. "Nicméně jsme odhalili, že má důležitý potenciál spíše při navrhování materiálů než při navrhování geometrií," řekl Dr. Zhang, který dokončil svůj Ph.D. na CityU pod dohledem profesora Liu začátkem tohoto roku.
Metalurgové mají tendenci si myslet, že nedostatečná jednotnost slitinových komponent je nežádoucí, protože vede ke špatným vlastnostem, jako je křehkost. Jedním z klíčových problémů v procesu aditivní výroby je, jak tuto nehomogenitu během rychlého chlazení eliminovat. Předchozí studie modelování a simulace Dr. Zhanga však zjistila, že určitý stupeň heterogenity součástí může ve skutečnosti vytvářet jedinečné a heterogenní mikrostruktury, které zlepšují vlastnosti slitiny. Pokusili se tedy tyto výsledky simulace uvést do reality pomocí aditivní výroby.
Navrhování unikátních mikrostruktur
"Jedinečné vlastnosti aditivní výroby nám poskytují větší svobodu při navrhování mikrostruktur," vysvětlil Dr. Zhang, který je také prvním autorem článku. "Konkrétně jsme vyvinuli metodu částečné homogenizace pro výrobu slitin s koncentračními gradienty v mikrometrovém měřítku pomocí 3D tisku, což je nedosažitelné žádnými konvenčními metodami výroby materiálů."
Jejich navrhovaná metoda zahrnuje tavení a míchání dvou různých práškových slitin a prášků z nerezové oceli pomocí zaostřeného laserového paprsku. Řízením parametrů, jako je výkon laseru a jeho rychlost skenování během procesu 3D tisku, tým úspěšně vytvořil nejednotné složení prvků v nové slitině kontrolovatelným způsobem.
"Kromě použití aditivní výroby je složení těchto dvou práškových směsí dalším klíčem k vytvoření bezprecedentních lávových mikrostruktur s vysokou metastabilitou v nové slitině," řekl profesor Liu. "Tyto jedinečné mikrostruktury dávají vzniknout nejvyšším mechanickým vlastnostem, které umožňují, aby slitina byla velmi pevná, ale i tažná a měla nízkou hmotnost."
Nová slitina: o 40 % lehčí a superpevná
Zatímco nerezová ocel má obecně 7,9 gramů na krychlový centimetr, nová slitina má pouze 4,5 gramů na krychlový centimetr, což má za následek přibližně o 40 % nižší hmotnost. V jejich experimentech vykazovala slitina titanu s lávovitými mikrostrukturami vysokou pevnost v tahu ~1,3 GPa s rovnoměrným prodloužením asi 9 %. Měla také vynikající kapacitu zpevnění více než 300 MPa, což zaručuje velkou bezpečnostní rezervu před zlomením, což je užitečné ve strukturálních aplikacích.
"Tyto vynikající vlastnosti jsou slibné pro konstrukční aplikace v různých scénářích, jako je letecký, automobilový, chemický a lékařský průmysl," řekl profesor Liu.
„Jako první tým, který použil 3D tisk k vývoji nových slitin s unikátními mikrostrukturami a vlastnostmi, budeme tento návrhový nápad dále aplikovat na různé slitinové systémy, abychom dále prozkoumali další vlastnosti nových slitin ,“ dodal.
Obr. 1: Mikrostruktura podobná lávě v 3D tištěné titanové slitině vyvinutá výzkumným týmem vedeným City University of Hong Kong.
Obr. 2: Mapa orientace zrn 3D tištěné titanové slitiny vyvinutá výzkumným týmem City University of Hong Kong.
