Κινέζοι επιστήμονες αναπτύσσουν ανθεκτικό στην κόπωση 3D εκτυπωμένο κράμα τιτανίου

Από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών ενημερώθηκε ότι πρόσφατα, η ομάδα του Ινστιτούτου Μετάλλων της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών Zhang Zhefeng ετοίμασε ένα 3D εκτυπωμένο υλικό από κράμα τιτανίου με υψηλή αντοχή στην κόπωση, τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στις 29 Φεβρουαρίου στο περιοδικό "Nature" (Nature ).
Η τρισδιάστατη εκτύπωση, γνωστή και ως κατασκευή πρόσθετων, λόγω της μοναδικής της ικανότητας ελεύθερης μορφής να ανταποκρίνεται σε μεγάλο βαθμό στις ανάγκες εξοπλισμού και εξαρτημάτων προηγμένης τεχνολογίας για εξαιρετικά ενσωματωμένο, πολυλειτουργικό, ελαφρύ, ενσωματωμένο, θεωρείται μια ανατρεπτική τεχνολογία στον τομέα της κατασκευή, στον αεροδιαστημικό και σε άλλους τομείς για να τραβήξει μεγάλη προσοχή και αρχική εφαρμογή. Ωστόσο, σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνολογίες κατασκευής, η απόδοση κόπωσης των τρισδιάστατων εκτυπωμένων υλικών υπό κυκλική φόρτωση είναι γενικά κακή, γεγονός που περιορίζει σοβαρά την ευρεία εφαρμογή τους ως δομικά φέροντα μέρη.
Για πρώτη φορά, οι ερευνητές πρότειναν ρητά ότι ιδανικά ο ίδιος ο ιστός από κράμα τιτανίου (που ονομάζεται ιστός Net-AM) που παρασκευάζεται απευθείας από την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης θα πρέπει να έχει φυσικά εξαιρετικά υψηλές ιδιότητες κόπωσης, ενώ ελαττώματα όπως το πορώδες που δημιουργείται κατά τη διαδικασία εκτύπωσης καλύπτουν το πλεονεκτήματα αντοχής στην κόπωση του δικού του ιστού, που οδηγούν σε σημαντική μείωση των ιδιοτήτων κόπωσης των πραγματικών μετρούμενων τρισδιάστατων εκτυπωμένων υλικών. Ωστόσο, η τρέχουσα διαδικασία εξάλειψης του πορώδους συχνά συνοδεύεται από χονδρόκοκκο ιστού, ενώ η επεξεργασία των εξευγενισμένων ιστών μπορεί να επιφέρει επανεμφάνιση του πορώδους και ακόμη και να προκαλέσει νέους δυσμενείς παράγοντες όπως ο εμπλουτισμός της φάσης στα όρια των κόκκων, που μπορεί να περιγραφεί ως ένα δίλημμα.
Για πρώτη φορά σε κράματα Ti-6Al-4V, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η μετανάστευση των ορίων κόκκων και η ανάπτυξη πορώδους τρισδιάστατων εκτυπωμένων ιστών κατάστασης σε υψηλές θερμοκρασίες εμφανίζουν ασύγχρονες ιδιότητες με τη διαδικασία μετάβασης φάσης. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένα πολύτιμο παράθυρο διεργασίας θερμικής επεξεργασίας τόσο για τη βελτίωση του ιστού του πηχού όσο και για την αποτελεσματική καταστολή του εμπλουτισμού της οριακής φάσης των κόκκων και της επανεμφάνισης του πορώδους. Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν έξυπνα αυτό το παράθυρο διαδικασίας και επινόησαν μια νέα διαδικασία σταδιακής διαμόρφωσης ελαττωμάτων και οργάνωσης και τελικά ετοίμασαν ένα σχεδόν χωρίς πορώδες, σχεδόν χωρίς πορώδες, οργανωμένο Ti-6Al{-4V κράμα. Η αντοχή του σε εφελκυσμό-εφελκυσμό σε κόπωση ενισχύθηκε από 475 MPa στην παρθένα κατάσταση σε 978 MPa, μια αύξηση 106%.
Συγκριτικά, διαπιστώθηκε ότι αυτό το οργανωμένο κράμα Ti-6Al-4V κοντά στο Net-AM, όχι μόνο έχει την υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό σε κόπωση μεταξύ όλων των υλικών από κράμα τιτανίου, αλλά έχει επίσης και την υψηλότερη ειδική αντοχή κόπωσης (αντοχή κόπωσης διαιρούμενη με την πυκνότητα) μεταξύ των δεδομένων κόπωσης των υλικών που έχουν αναφερθεί μέχρι στιγμής.
Αυτό το επίτευγμα ενημερώνει την προηγούμενη εγγενή κατανόηση των ανθρώπων σχετικά με την απόδοση χαμηλής κόπωσης των τρισδιάστατων εκτυπωμένων υλικών, αποκαλύπτει τα μοναδικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης στην κατασκευή ανθεκτική στην κόπωση και καταδεικνύει τις ευρείες προοπτικές εφαρμογής των τρισδιάστατων εκτυπωμένων υλικών ως δομικά φέροντα μέρη στην αεροδιαστημική και άλλους σημαντικούς τομείς.