خستگی به پدیده موادی اطلاق می شود که به تدریج تحت بارگذاری چرخه ای خراب می شوند و در نهایت شکسته می شوند. برای سازه های حیاتی برای ایمنی زندگی، مانند تیغه های موتور هواپیما و ارابه فرود، عملکرد خستگی یک معیار طراحی اولیه است. منافذ میکروسکوپی اجتناب ناپذیر در قطعات چاپ شده 3 بعدی، بسیار شبیه حباب های هوا در شیشه، می توانند تحت تنش چرخه ای به نقاط شروع ترک تبدیل شوند و منجر به خرابی زودرس قطعه شوند. پیش از این، مهندسان معمولاً از پرس گرم ایزواستاتیک (HIP) برای از بین بردن این منافذ استفاده می کردند. با این حال، این روش یک شمشیر{6} دولبه است: در حالی که منافذ را بهبود میبخشد، ریزساختارهای منحصر به فرد و ظریف ایجاد شده توسط چاپ سه بعدی را نیز درشت میکند و مزایای بالقوه آن را نفی میکند. این یک مورد کلاسیک از "بیرون انداختن نوزاد با آب حمام" است.
آیا می توان با حفظ ریزساختار عالی چاپ سه بعدی منافذ را از بین برد؟ تیم تحقیقاتی ماهیت "ناهمزمان" تبدیل فاز و رشد دانه را در آلیاژهای تیتانیوم چاپ سه بعدی- کشف کردند و بر این اساس، یک "فرایند تولید افزودنی بی عیب و نقص" نوآورانه را توسعه دادند. هسته اصلی این فناوری در کنترل دقیق چرخه حرارتی{4}}پست پردازش نهفته است: قبل از اینکه دانهها زمان رشد کنند، تبدیل فاز به سرعت تکمیل میشود و مواد خنک میشوند، بنابراین ریزساختار ظریف و یکنواختی که توسط پرینت سهبعدی تشکیل شده «قفل میشود».
نتایج هیجانانگیز است: آلیاژ تیتانیوم «چاپ بیعیب» که با فناوری NAMP پردازش شده است، حفرههای ذوبنشده خطرناک را در ساختار خود کاملاً از بین میبرد، در حالی که کاملاً دانههای ریز و ساختار لایهای اصلی را حفظ میکند.
اوج عملکرد: عمر خستگی از همه آلیاژهای تیتانیوم شناخته شده فراتر می رود. نتایج تست خواص مکانیکی حتی چشمگیرتر است. این آلیاژ تیتانیوم "بی عیب" به حد خستگی تقریباً 978 مگاپاسکال دست می یابد که 106٪ نسبت به حالت چاپ اصلی بهبود یافته است. قابل توجه تر، این رقم نه تنها از همه آلیاژهای تیتانیوم چاپ شده سه بعدی بسیار فراتر می رود، بلکه به طور قابل توجهی از آلیاژهای تیتانیوم تولید شده از طریق فرآیندهای آهنگری سنتی پیشی می گیرد و به اوج عملکرد خستگی برای مواد مشابه می رسد. هنگامی که محققان استحکام خستگی خاص (نسبت استحکام خستگی به چگالی، که برای صنعت هوافضا حیاتی است) را با مواد مهندسی مختلف مقایسه کردند، دریافتند که این آلیاژ تیتانیوم چاپ شده بی عیب و نقص، گوشه سمت راست بالای نمودار را اشغال کرده است و از تمام فولاد، آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای منیزیم، آلیاژهای با دمای بالا{8} و یکنواخت{8}، بالاتر است. آلیاژها، نشان دهنده پتانسیل عظیم فناوری چاپ سه بعدی در تولید اجزای{11}مقاوم در برابر خستگی است.
چرا ریزساختارهای چاپ شده سه بعدی-، بدون حفره، آنقدر قوی هستند؟
تحقیقات نشان میدهد که ساختار لایهای منحصربهفرد-چاپ سهبعدی به طور موثری غلظتهای موضعی آسیب خستگی را سرکوب میکند. در آلیاژهای تیتانیوم سنتی، ترکهای خستگی اغلب در دانههای درشت یا نواحی فاز نرم شروع میشوند، در حالی که ساختار ظریف چاپ سهبعدی تنش را به طور یکنواخت پراکنده میکند و شروع و انتشار ترک را دشوار میکند.
چشم انداز آینده: بازسازی پرینت سه بعدی و باز کردن مسیرهای جدید. این تحقیق درک ما از عملکرد خستگی مواد چاپی سه بعدی-را کاملاً بر هم می زند. این به خوبی نشان می دهد که ریزساختار چاپ شده سه بعدی یک ضعف نیست، بلکه پایه ای ارزشمند برای دستیابی به مقاومت در برابر خستگی برتر است. گلوگاه واقعی در عیوب ایجاد شده توسط فرآیند چاپ نهفته است. این کار به یک مسیر بهینه سازی دوگانه برای توسعه فناوری چاپ سه بعدی اشاره می کند: از یک طرف، ادامه بهینه سازی فرآیند چاپ برای کاهش فضاهای خالی. از سوی دیگر، بهطور فعال فناوریهای{10}پست پردازش جدید را برای کنترل دقیق ریزساختار توسعه میدهد. مهمتر از آن، این مفهوم از "چاپ بی عیب و نقص" این پتانسیل را دارد که به سایر سیستم های مواد فلزی تعمیم داده شود و فناوری چاپ سه بعدی را به دنیای وسیع{13}تولید اجزای ساختاری با کارایی بالا هدایت کند.
اطلاعات کاغذی:
عنوان: مقاومت در برابر خستگی بالا در آلیاژ تیتانیوم از طریق چاپ سه بعدی تقریباً-خلاء-رایگان
مجله: Nature, 2024-02-28
به این مقاله استناد کنید
Qu، Z.، Zhang، Z.، لیو، R. و همکاران. مقاومت در برابر خستگی بالا در آلیاژ تیتانیوم از طریق چاپ سه بعدی تقریباً{4}}خلاء-رایگان. Nature 626, 999–1004 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1