Умората се отнася до феномена на материалите, които постепенно се влошават и в крайна сметка се разрушават при циклично натоварване. За конструкции, които са жизненоважни за безопасността на живота, като лопатки на двигатели на самолети и колесник, характеристиките на умора са основен проектен критерий. Неизбежните микроскопични пори в 3D-отпечатаните части, подобно на въздушни мехурчета в стъкло, могат да се превърнат в начални точки на пукнатини при цикличен стрес, което води до преждевременна повреда на компонента. Преди това инженерите обикновено използваха горещо изостатично пресоване (HIP), за да премахнат тези пори. Този метод обаче е нож с две-остриета: докато заздравява порите, той също така загрубява уникалните, фини микроструктури, създадени от 3D принтирането, отричайки неговите потенциални предимства. Това е класически случай на „изхвърляне на бебето заедно с водата за баня“.
Възможно ли е да се премахнат порите, като същевременно се запази отличната микроструктура на 3D печата? Изследователският екип откри „асинхронния“ характер на фазовата трансформация и растежа на зърната в 3D-отпечатани титанови сплави и въз основа на това разработи иновативен „безупречен процес на производство на добавки“. Ядрото на тази технология се крие в прецизното контролиране на термичния цикъл на последващата-обработка: преди зърната да имат време да пораснат, фазовата трансформация бързо завършва и материалът се охлажда, като по този начин „заключва“ фината, равномерна микроструктура, образувана от 3D принтиране.
Резултатите са вълнуващи: "безупречно отпечатаната" титаниева сплав, обработена с NAMP технология, напълно елиминира опасните неслети кухини в структурата си, като същевременно перфектно запазва оригиналната фина зърнеста и ламеларна структура.
Върхова производителност: Издръжливостта на умора надминава всички известни титанови сплави. Още по-впечатляващи са резултатите от тестовете за механични свойства. Тази "безупречна" титанова сплав постига граница на умора от приблизително 978 MPa, 106% подобрение в сравнение с оригиналното отпечатано състояние. По-забележително е, че тази цифра не само далеч надхвърля всички известни 3D-отпечатани титанови сплави, но също така значително надминава титаниеви сплави, произведени чрез традиционни процеси на коване, достигайки върха на показателите на умора за подобни материали. Когато изследователите сравняват специфичната якост на умора (съотношението на якостта на умора към плътността, което е от решаващо значение за космическата индустрия) с различни инженерни материали, те откриват, че тази безупречна отпечатана титанова сплав заема горния десен ъгъл на диаграмата, надминавайки всички стомани, алуминиеви сплави, магнезиеви сплави, високо-температурни сплави и дори високо-ентропийни сплави, демонстрирайки огромния потенциал на технологията за 3D печат при производството на компоненти,-устойчиви на умора.
Защо 3D-отпечатаните микроструктури без кухини са толкова здрави?
Изследванията показват, че уникалната ултра-фина ламеларна структура на 3D принтирането ефективно потиска локализираните концентрации на увреждане от умора. В традиционните титанови сплави пукнатините от умора често започват в едри зърна или области с мека фаза, докато фината структура на 3D печата равномерно разпръсква напрежението, което затруднява възникването и разпространението на пукнатини.
Бъдеща перспектива: Възстановяване на 3D принтирането и отваряне на нови насоки. Това изследване напълно преобръща нашето разбиране за характеристиките на умора на 3D-отпечатаните материали. Той красноречиво демонстрира, че самата 3D-отпечатана микроструктура не е слабост, а по-скоро ценна основа за постигане на превъзходна устойчивост на умора. Истинската пречка се крие в дефектите, въведени от процеса на печат. Тази работа сочи към двоен път на оптимизация за развитието на технологията за 3D печат: от една страна, продължаване на оптимизирането на процеса на печат за намаляване на кухините; от друга страна, активно разработване на нови{10}}технологии за последваща обработка за прецизен контрол на микроструктурата. По-важното е, че тази концепция за „безупречен печат“ има потенциала да бъде разширена към други системи от метални материали, водещи технологията за 3D печат в необятния свят на високо{13}}производителното производство на структурни компоненти.
Информация на хартия:
Заглавие: Висока устойчивост на умора в титаниева сплав чрез 3D принтиране почти-без{1}}празнота
Журнал: Nature, 2024-02-28
Цитирайте тази статия
Qu, Z., Zhang, Z., Liu, R. et al. Висока устойчивост на умора в титаниева сплав чрез 3D печат почти-без-без празноти. Nature 626, 999–1004 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1