يشير التعب إلى ظاهرة تدهور المواد تدريجيًا وتكسيرها في نهاية المطاف تحت التحميل الدوري. بالنسبة للهياكل الحيوية لسلامة الحياة، مثل شفرات محرك الطائرات ومعدات الهبوط، يعد أداء الكلال معيارًا أساسيًا للتصميم. يمكن أن تصبح المسام المجهرية التي لا يمكن تجنبها داخل-الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد، مثل فقاعات الهواء في الزجاج، نقاط بدء تشقق تحت الضغط الدوري، مما يؤدي إلى فشل مبكر للمكونات. في السابق، كان المهندسون يستخدمون عادة الضغط المتوازن الساخن (HIP) لإزالة هذه المسام. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة هي سيف ذو حدين: فبينما تعمل على شفاء المسام، فإنها تؤدي أيضًا إلى خشونة الهياكل الدقيقة الفريدة التي تم إنشاؤها بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يلغي مزاياها المحتملة. إنها حالة كلاسيكية من "رمي الطفل مع ماء الاستحمام".
هل من الممكن إزالة المسام مع الحفاظ على البنية المجهرية الممتازة للطباعة ثلاثية الأبعاد؟ اكتشف فريق البحث الطبيعة "غير المتزامنة" لتحول الطور ونمو الحبوب في سبائك التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد، وبناءً على ذلك، طور "عملية تصنيع مضافة خالية من العيوب" مبتكرة. يكمن جوهر هذه التقنية في التحكم الدقيق في الدورة الحرارية لمرحلة ما بعد-المعالجة: قبل أن يتوفر للحبوب وقت للنمو، يكتمل تحويل الطور بسرعة ويتم تبريد المادة، وبالتالي "تثبيت" البنية الدقيقة الدقيقة والموحدة التي تشكلها الطباعة ثلاثية الأبعاد.
النتائج مبهجة: تعمل سبيكة التيتانيوم "المطبوعة الخالية من العيوب" والمعالجة بتقنية NAMP على التخلص تمامًا من الفراغات الخطيرة غير المنصهرة داخل هيكلها، مع الحفاظ تمامًا على البنية الحبيبية والصفائحية الأصلية.
ذروة الأداء: حياة التعب تفوق جميع سبائك التيتانيوم المعروفة. والأكثر إثارة للإعجاب هي نتائج اختبار الخواص الميكانيكية. تحقق سبيكة التيتانيوم "الخالية من العيوب" حد إجهاد يبلغ حوالي 978 ميجا باسكال، وهو تحسن بنسبة 106% عن الحالة المطبوعة الأصلية. والأهم من ذلك، أن هذا الرقم لا يتجاوز فقط جميع سبائك التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد المعروفة -ولكنه يفوق أيضًا بشكل كبير سبائك التيتانيوم المنتجة من خلال عمليات الحدادة التقليدية، مما يصل إلى قمة أداء الكلال للمواد المماثلة. عندما قارن الباحثون قوة الكلال المحددة (نسبة قوة الكلال إلى الكثافة، وهو أمر بالغ الأهمية لصناعة الطيران) بمواد هندسية مختلفة، وجدوا أن سبيكة التيتانيوم المطبوعة الخالية من العيوب هذه احتلت الزاوية اليمنى العليا من الرسم البياني، متفوقة على جميع أنواع الفولاذ، وسبائك الألومنيوم، وسبائك المغنيسيوم، و-السبائك ذات درجات الحرارة العالية، وحتى سبائك الإنتروبيا العالية-، مما يدل على الإمكانات الهائلة لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع المكونات المقاومة للكلال-.
لماذا تعتبر البنى المجهرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد، الخالية من الفراغات، قوية جدًا؟
تظهر الأبحاث أن البنية الصفائحية الفريدة-الدقيقة للطباعة ثلاثية الأبعاد تعمل بشكل فعال على منع التركيزات الموضعية من تلف الكلال. في سبائك التيتانيوم التقليدية، غالبًا ما تبدأ شقوق التعب في الحبوب الخشنة أو مناطق الطور الناعم، في حين أن البنية الدقيقة للطباعة ثلاثية الأبعاد تعمل على تشتيت الضغط بشكل موحد، مما يجعل بدء الشقوق وانتشارها أمرًا صعبًا.
النظرة المستقبلية: إعادة تأهيل الطباعة ثلاثية الأبعاد وفتح اتجاهات جديدة. يقلب هذا البحث فهمنا تمامًا لأداء الكلال للمواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد-. إنه يوضح ببلاغة أن البنية المجهرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد-في حد ذاتها ليست نقطة ضعف، ولكنها أساس قيم لتحقيق مقاومة فائقة للتعب. يكمن عنق الزجاجة الحقيقي في العيوب التي تحدثها عملية الطباعة. يشير هذا العمل إلى مسار تحسين مزدوج لتطوير تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد: من ناحية، الاستمرار في تحسين عملية الطباعة لتقليل الفراغات؛ ومن ناحية أخرى، نعمل بنشاط على تطوير تقنيات جديدة{10}}لمعالجة ما بعد التحكم للتحكم الدقيق في البنية الدقيقة. والأهم من ذلك، أن مفهوم "الطباعة الخالية من العيوب" هذا لديه القدرة على التوسع ليشمل أنظمة مواد معدنية أخرى، مما يؤدي إلى دخول تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى عالم واسع من تصنيع المكونات الهيكلية عالية الأداء-.
معلومات الورق:
العنوان: مقاومة الكلال العالية في سبيكة تيتانيوم من خلال طباعة ثلاثية الأبعاد خالية من -الفراغ- تقريبًا
المجلة: الطبيعة، 28-02-2024
استشهد بهذا المقال
تشو، Z.، تشانغ، Z.، ليو، R. وآخرون. مقاومة عالية للتعب في سبائك التيتانيوم من خلال طباعة ثلاثية الأبعاد خالية من -الفراغ- تقريبًا. طبيعة 626، 999-1004 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1