Втома відноситься до явища, коли матеріали поступово псуються і врешті-решт руйнуються під час циклічного навантаження. Для конструкцій, життєво важливих для безпеки життєдіяльності, таких як лопаті двигунів літаків і шасі, характеристики втоми є основним критерієм проектування. Неминучі мікроскопічні пори в 3D-надрукованих деталях, подібно до повітряних бульбашок у склі, можуть стати точками виникнення тріщин під час циклічної напруги, що призводить до передчасної поломки компонентів. Раніше інженери зазвичай використовували гаряче ізостатичне пресування (HIP), щоб усунути ці пори. Однак цей метод є палкою з двома кінцями: заліковуючи пори, він також огрубляє унікальні тонкі мікроструктури, створені 3D-друком, зводячи нанівець його потенційні переваги. Це класичний випадок «викидання дитини разом з водою».
Чи можливо усунути пори, зберігши чудову мікроструктуру 3D-друку? Дослідницька група виявила «асинхронну» природу фазового перетворення та зростання зерен у тривимірних -надрукованих титанових сплавах і на основі цього розробила інноваційний «бездоганний процес виробництва добавок». Суть цієї технології полягає в точному контролі термічного циклу після-обробки: до того, як зерна встигнуть вирости, фазове перетворення швидко завершується, і матеріал охолоджується, таким чином «фіксуючи» тонку однорідну мікроструктуру, сформовану за допомогою 3D-друку.
Результати приголомшливі: титановий сплав із «бездоганним друком», оброблений за технологією NAMP, повністю усуває небезпечні нерозплавлені порожнечі в своїй структурі, ідеально зберігаючи оригінальну дрібну зернистість і пластинчасту структуру.
Максимальна продуктивність: довговічність перевершує всі відомі титанові сплави. Ще більш вражаючими є результати тестування механічних властивостей. Цей «бездоганний» титановий сплав досягає межі втоми приблизно 978 МПа, що на 106% більше, ніж у початковому стані надрукованого матеріалу. Примітно, що ця цифра не тільки значно перевищує всі відомі титанові сплави, надруковані 3D-, але й значно перевершує титанові сплави, виготовлені за допомогою традиційних процесів кування, досягаючи вершини показників втоми для подібних матеріалів. Коли дослідники порівняли питому міцність на втому (відношення міцності на втому до щільності, що має вирішальне значення для аерокосмічної промисловості) з різними конструкційними матеріалами, вони виявили, що цей бездоганний друкований титановий сплав займає верхній правий кут діаграми, перевершуючи всі сталі, алюмінієві сплави, магнієві сплави, високо-температурні сплави та навіть високо-ентропійні сплави, демонструючи величезний потенціал технології 3D-друку у виготовленні компонентів,-стійких до втоми.
Чому 3D-надруковані мікроструктури без пустот такі міцні?
Дослідження показують, що унікальна над-пластинчаста структура 3D-друку ефективно пригнічує локальні концентрації втомних пошкоджень. У традиційних титанових сплавах втомні тріщини часто виникають у крупних зернах або областях м’якої фази, тоді як тонка структура 3D-друку рівномірно розподіляє напругу, ускладнюючи виникнення та поширення тріщин.
Майбутнє: відновлення 3D-друку та відкриття нових напрямків. Це дослідження повністю перевертає наше розуміння показників втоми 3D-надрукованих матеріалів. Це красномовно демонструє, що мікроструктура, надрукована 3D-, сама по собі не є слабкою стороною, а скоріше цінною основою для досягнення надзвичайної стійкості до втоми. Справжнім вузьким місцем є дефекти, які виникають у процесі друку. Ця робота вказує на подвійний шлях оптимізації для розвитку технології 3D-друку: з одного боку, продовження оптимізації процесу друку для зменшення пустот; з іншого боку, активно розробляти нові{10}}технології обробки для точного контролю мікроструктури. Що ще важливіше, ця концепція «бездоганного друку» має потенціал для поширення на інші системи металевих матеріалів, що веде технологію 3D-друку у величезний світ високо{13}}виробництва структурних компонентів.
Інформація на папері:
Назва: Висока стійкість до втоми в титановому сплаві завдяки 3D-друку, майже{0}}без{1}}порожнини
Журнал: Nature, 2024-02-28
Цитуйте цю статтю
Qu, Z., Zhang, Z., Liu, R. та ін. Висока стійкість до втоми в титановому сплаві завдяки 3D-друку майже{4}}без пустот-. Nature 626, 999–1004 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1