Bài báo th? hai v? c?ng ngh? in 3D n?m 2024 ???c ??ng trên t?p chí Science vào ngày 8 tháng 2.

T???i h?c Queensland, úc(Jingqi Zhang và các c?ng s?),??i h?c Trùng Khánh(Ziyong Hou, Xiaoxu Huang)??i h?c C?ng ngh? ?an M?chNhóm nghiên c?u liên h?p ?? c?ng b? bài báo có tiêu ?? "H?p kim titan in 3D siêu ??ng nh?t, m?nh m? và d?o dai th?ng qua thi?t k? h?p kim hai ch?c n?ng".H?p kim titan ???c ch? t?o b?ng in 3D ??t?? b?n kéo 926MPa và ?? d?o 26%, ??t ???c s? can b?ng gi?a ?? b?n và ?? d?o.

B?i c?nh nghiên c?uTrong quá trình in 3D kim lo?i, th??ng xu?t hi?n các h?t tinh th? c?t l?n và phan b? kh?ng ??ng ??u, d?n ??n tính ch?t c? h?c kh?ng ??ng ??u ho?c th?m chí kém. Nghiên c?u ?? c?p ??n m?t chi?n l??c thi?t k? cho phép tr?c ti?p s?n xu?t h?p kim titan có ?? b?n cao và tính ch?t ??ng nh?t th?ng qua in 3D. Nghiên c?u cho th?y vi?c b? sung molypden (Mo) vào h?n h?p b?t kim lo?i ?? t?ng c??ng tính ?n ??nh pha và c?i thi?n ?? ??ng nh?t v? ?? b?n, ?? d?o và tính ch?t kéo c?a h?p kim in 3D. Bài báo bình lu?n cùng k? trên t?p chí Science ch? ra r?ng ph??ng pháp này có th? ???c áp d?ng cho các h?n h?p b?t khác và có th? tùy ch?nh các h?p kim khác nhau có tính ch?t ???c t?ng c??ng.

Nguyên nhan chính d?n ??n s? kh?ng ??ng ??u v? tính ch?t c?a h?p kim in 3D kim lo?i làTrong quá trình in 3D t?ng l?p, th??ng có 10³-10⁸T?c ?? làm mát cao (K/s) t?o ra s? chênh l?ch nhi?t ?? ?áng k? ? rìa và ?áy vùng nóng ch?y c?a b?t kim lo?i. S? chênh l?ch nhi?t ?? này gay ra s? phát tri?n tinh th? ngo?i vi d?c theo giao di?n gi?a v?t li?u m?i nóng ch?y và v?t li?u r?n bên d??i, v?i các tinh th? phát tri?n h??ng v? trung tam vùng nóng ch?y. Quá trình gia nhi?t và tái nung ch?y m?t ph?n trong quá trình in nhi?u l?p cu?i cùng d?n ??n s? hình thành các h?t c?t l?n và s? phan b? kh?ng ??ng ??u c?a các pha, c? hai ??u kh?ng mong mu?n vì chúng có th? d?n ??n tính d? h??ng và gi?m tính ch?t c? h?c b? h? h?ng.

?? b?n và ?? d?o c?a các lo?i v?t li?u kim lo?i

H?p kim titan là m?t trong nh?ng v?t li?u in 3D kim lo?i ???c s? d?ng r?ng r?i nh?t. Trong các ?ng d?ng k? thu?t ? nhi?t ?? m?i tr??ng, h?p kim titan phù h?p th??ng có ?? gi?n dài kéo t? 10% ??n 25%, ph?n ánh ?? tin c?y cao c?a v?t li?u. M?c dù ?? gi?n dài cao h?n (?? d?o) có l?i cho vi?c ??nh hình d? dàng h?n và ???c ?u tiên trong m?t s? ?ng d?ng, vi?c t?ng c??ng ?? trong ph?m vi ?? gi?n dài này th??ng ???c ?u tiên ?? ch?u t?i c? h?c. Trong các c?ng ngh? gia c?ng kim lo?i truy?n th?ng và s?n xu?t b?i ??p, lu?n c?n ph?i can nh?c gi?a ?? b?n và ?? d?o.

Chi?n l??c và h?n ch? ?? t?ng c??ng ?? và ?? d?o dai

Có nhi?u chi?n l??c ?? t?ng c??ng ?? và ?? d?o c?a h?p kim in 3D.Trong ?ó bao g?m t?i ?u hóa thi?t k? h?p kim, ki?m soát quy trình, t?ng c??ng ranh gi?i tinh th? và s?a ??i c?u trúc vi m? c?a h?t tinh th?, c?ng nh? ?c ch? các pha kh?ng mong mu?n (dòn), gi?i thi?u pha th? hai và th?c hi?n x? ly sau. Hi?n nay, nghiên c?u gi?i quy?t v?n ?? tinh th? c?t và pha x?u t?p trung vào vi?c pha t?p nguyên t? t?i ch? ?? thay ??i c?u trúc vi m? và thành ph?n pha. Ph??ng pháp này c?ng thúc ??y s? hình thành tinh th? ??ng tr?c, t?c là c?u trúc có kích th??c h?t g?n nh? b?ng nhau d?c theo tr?c d?c và tr?c ngang. H?p kim hóa t?i ch? là m?t ph??ng pháp ??y h?a h?n ?? gi?i quy?t v?n ?? can b?ng gi?a ?? b?n và ?? d?o.??c bi?t là trong các c?ng ngh? in 3D nh? nung ch?y gi??ng b?t và l?ng ??ng n?ng l??ng ??nh h??ng.。

Các nhà nghiên c?u ?? khám phá hình thái h?t và tính ch?t c? h?c khi thêm các nguyên t? khác nhau vào h?p kim in 3D. Ví d?, khi tr?n các h?t nano g?m zirconium hydride vào h?p kim nh?m kh?ng th? in, h? ?? thu ???c v?t li?u có th? in và kh?ng b? n?t, v?i c?u trúc vi m? tinh th? ??ng tr?c và tính ch?t kéo t??ng ???ng v?i v?t li?u rèn. Tuy nhiên, ??i v?i h?p kim titan, các ch?t làm m?n h?t bán trên th? tr??ng th??ng có tác d?ng h?n ch? ??i v?i c?u trúc h?t. C? ch? làm m?n c?a h?p kim titan, ??c bi?t là s? chuy?n ??i t? hình tr? sang hình l?p ph??ng trong quá trình ??ng ??c in 3D, ?? ???c nghiên c?u r?ng r?i, nh?ng v?n còn nh?ng h?n ch? v? hi?u qu?. Các n? l?c ?? kh?c ph?c tr? ng?i này bao g?m thay ??i các th?ng s? gia c?ng, ?ng d?ng siêu am c??ng ?? cao, thi?t k? h?p kim ?? t?o ra c?u trúc d? ch?t c?n thi?t, thêm ch?t hòa tan làm ch?t làm m?n h?t nh? ?i?m k?t tinh d? ch?t, và pha tr?n ch?t hòa tan có kh? n?ng siêu l?nh cao. Các nguyên t? ?n ??nh β-eutectic nh? Cu, Fe, Cr, Co và Ni h?n ch? ?? hòa tan trong titan.

Nh?ng b??c ??t phá quan tr?ng t? nghiên c?u m?iTrong nghiên c?u này, các nhà nghiên c?u kh?ng s? d?ng các nguyên t? ?n ??nh β-peritectic có th? d?n ??n s? hình thành các pha peritectic kim lo?i giòn trong h?p kim titan, mà thay vào ?ó ?? ch?n các nguyên t? Mo thu?c nhóm β-isomorphous (bao g?m niobium (Nb), tantalum (Ta) và vanadium (V)) cho h?p kim Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr). Trong quá trình h?p kim hóa t?i ch?, molypden ???c ??a chính xác vào b? nóng ch?y, ?óng vai trò là h?t nhan hình thành và tinh th? hóa trong quá trình quét t?ng l?p. Ph? gia Mo thúc ??y s? chuy?n ??i t? c?u trúc tinh th? c?t l?n sang c?u trúc tinh th? ??ng tr?c và c?t h?p. Mo c?ng có th? ?n ??nh pha β mong mu?n và ?c ch? s? hình thành d? ch?t trong quá trình tu?n hoàn nhi?t.

Ti-5553 h?p kim titan pha Mo ??c tr?ng

Các nhà nghiên c?u ?? so sánh ?? b?n kéo và ?? gi?n dài khi g?y c?a Ti-5553+5Mo v?i Ti-5553 (c?ng nh? Ti-55531 và Ti55511) ???c s?n xu?t ? tr?ng thái L-PBF và sau khi x? ly nhi?t sau in. So v?i Ti-5553 ? tr?ng thái s?n xu?t và các h?p kim t??ng t?, Ti-5553+5Mo cho th?y ?? b?n kéo t??ng ???ng nh?ng ?? d?o dai ???c c?i thi?n ?áng k?. Quá trình x? ly nhi?t sau in th??ng ???c s? d?ng ?? can b?ng các tính ch?t c? h?c c?a Ti-5553 ???c s?n xu?t b?ng L-PBF. M?c dù có th? ??t ???c ?? b?n kéo cao (>1100 MPa) trong m?t s? ?i?u ki?n x? ly nhi?t, nh?ng ?? d?o th??ng b? suy gi?m ?áng k?, ?? gi?n dài khi ??t <10%, ?i?u này h?n ch? vi?c s? d?ng trong các ?ng d?ng quan tr?ng v? an toàn. Ví d?, ??i v?i Ti6Al4V, ???c coi là lo?i h?p kim chính trong ngành c?ng nghi?p titan, ?? gi?n dài ??t g?y t?i thi?u ???c khuy?n ngh? là 10%. Ng??c l?i, v?t li?u Ti-5553+5Mo in tr?c ti?p b?ng L-PBF kh?ng c?n x? ly nhi?t sau ?ó v?n th? hi?n s? can b?ng tuy?t v?i gi?a ?? b?n và ?? d?o, giúp nó n?i b?t so v?i các h?p kim t??ng t?. Cu?i cùng, các nhà nghiên c?u ?? s? d?ng chi?n l??c này ?? s?n xu?tV?t li?u có tính ??ng nh?t v? tính n?ng xu?t s?c, ?? b?n kéo 926MPa, ?? gi?n dài khi ??t 26%.

C?u trúc vi m? và tính ch?t c? h?c c?a Ti-5553 ???c s?n xu?t b?ng ph??ng pháp L-PBF

Tính ch?t c? h?c c?a Ti-5553 và Ti-5553+5Mo ???c s?n xu?t b?ng c?ng ngh? L-PBF

So v?i Ti-5553, Ti-5553+5Mo có tính ch?t c? h?c ??ng ??u b?t th??ng và ???c c?i thi?n. Th?ng qua quét c?t l?p vi tính (micro-CT), ?? ?ánh giá ch?t l??ng chi ti?t, c? hai v?t li?u ??u th? hi?n m?t ?? r?t cao, v?i t? l? th? tích l? r?ng l?n l??t là 0,004024% và 0,001589%. M?t ?? cao nh? v?y cho th?y t? l? l? r?ng kh?ng th? d?n ??n tính ch?t kéo phan tán cao c?a Ti-5333, và c?ng phù h?p v?i tính nh?t quán cao c?a tính ch?t c? h?c c?a Ti-5553+5Mo. ?? làm r? ?nh h??ng c?a vi?c b? sung Mo ??i v?i c?u trúc h?t, các nhà nghiên c?u ?? ti?n hành phan tích tán x? ng??c ?i?n t? (EBSD) ??i v?i Ti-5553 và Ti-5553 pha t?p Mo. C?u trúc vi m? c?a Ti-5553 bao g?m các h?t t??ng ??i l?n d?c theo h??ng quét, th? hi?n c?u trúc tinh th? m?nh m?. Vi?c thêm 5,0wt% Mo vào Ti-5553 s? d?n ??n s? thay ??i ?áng k? v? c?u trúc h?t và c?u trúc tinh th? liên quan. Nhi?u h?t tinh th? ??ng tr?c nh? (???ng kính kho?ng 20μm) r?t r? ràng, hình thành d?c theo rìa ???ng quét c?a Ti-5553+5Mo. Ng??c l?i, c?u trúc vi m? c?a Ti-5553+5Mo ???c ??c tr?ng b?i các h?t tinh th? ??ng tr?c nh? và các tinh th? c?t h?p d?c theo h??ng c?u trúc. Ki?m tra k? c?u trúc vi m? cho th?y s? phan b? tu?n hoàn c?a các h?t tinh th? c?t nh?. Khác v?i các tinh th? c?t có c?u trúc cao trong Ti-5553 tr?i dài qua nhi?u l?p, kích th??c c?a các tinh th? c?t trong Ti-5553+5Mo ???c quy?t ??nh b?i kích th??c c?a v?ng nóng ch?y, và c?u trúc tinh th? tr? nên ng?u nhiên và y?u.

Phan tích c?u trúc vi m? c?a Ti-5553 và Ti-5553+5Mo

Phan tích pha c?a Ti-5553 và Ti-5553 pha t?p molypden

Phan tích EBSD c?a m?u th? g?y ???c ch? t?o t? Ti-55535END

Tuy nhiên, các nhà nghiên c?u ?? xác ??nh ???c các h?t molypden kh?ng tan trong c?u trúc vi m?, và tác ??ng ti?m ?n c?a chúng v?n ch?a r? ràng. Trên th?c t?, s? hi?n di?n ng?u nhiên c?a các h?t kh?ng tan trong chi?n l??c h?p kim hóa t?i ch? ?? gay ra lo ng?i liên quan ??n tính ch?t c? h?c và ?n mòn. Ví d?, vi?c nung ch?y hoàn toàn các h?t h?p kim t?i ch? có th? c?n nhi?u n?ng l??ng h?n, và quá nhi?t có th? d?n ??n thay ??i c?u trúc vi m? và làm gi?m tính ch?t c? h?c. Ngoài ra, tính ch?t m?i ??ng và ?n mòn do các h?t Mo kh?ng tan gay ra v?n ch?a r? ràng. M?c dù x? ly nhi?t sau khi in có th? lo?i b? các h?t kh?ng tan, nh?ng nó có th? thay ??i c?u trúc vi m?, t? ?ó có th? ?nh h??ng ??n tính ch?t c? h?c.

T?ng quan, chi?n l??c thi?t k? ???c ?? xu?t trong nghiên c?u này c?a Science m? ra m?t con ???ng ?? khám phá các lo?i b?t kim lo?i khác nhau, các h? th?ng h?p kim in 3D khác nhau, các c?ng ngh? in 3D khác nhau và in ?a v?t li?u tiên ti?n. Nó c?ng có th? ?c ch? s? hình thành c?a các h?t tinh th? hình tr? và ng?n ch?n s? kh?ng ??ng ??u c?a các pha kh?ng mong mu?n. Nh?ng v?n ?? này phát sinh do s? phan b? nhi?t khác nhau, mà s? phan b? nhi?t này b? ?nh h??ng b?i các th?ng s? in c?a t?ng lo?i b?t. Chi?n l??c này c?ng kh?c ph?c ???c s? can b?ng gi?a ?? b?n và ?? d?o trong quá trình in, ??ng th?i gi?m thi?u nhu c?u x? ly sau in, nh?ng ?u ?i?m này ch?c ch?n s? t?o ra m?t làn sóng nghiên c?u trong l?nh v?c in 3D.