Nhóm nhà khoa học Trung - Mỹ tạo ra hợp kim titan bền nhất thế giới bằng in 3D
Các nhà khoa học Trung Quốc và Mỹ tạo ra hợp kim titan bền nhất thế giới bằng công nghệ in 3D trong 'bước đột phá đáng kể'.
Các nhà khoa học đã đạt được tiến bộ đột phá trong công nghệ in 3D với hợp kim titan, tăng gấp đôi khả năng phục hồi của vật liệu và mở rộng triển vọng cho các ứng dụng của nó trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) ca ngợi thành tựu này là một “bước đột phá đáng kể” trong khoa học vật liệu, được trình bày chi tiết trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Nghiên cứu này là sự hợp tác giữa Zhang Zhenjun và Zhang Zhefeng từ Phòng thí nghiệm khoa học vật liệu quốc gia Thẩm Dương của Viện nghiên cứu kim loại CAS với Robert Ritchie từ Đại học California - Berkeley (Mỹ).
Theo bài báo được bình duyệt, nghiên cứu này được hình thành ở Trung Quốc và vật liệu mẫu cũng sản xuất ở đó. Robert Ritchie tham gia vào quá trình xem xét bản thảo.
Một bài báo đã được bình duyệt là được đánh giá bởi các chuyên gia trong lĩnh vực đó trước khi xuất bản. Quá trình bình duyệt nhằm đảm bảo rằng bài báo đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng cao về nội dung và hình thức. Các bài báo được bình duyệt thường được xuất bản trên tạp chí khoa học uy tín.
Dù in 3D đã cách mạng hóa ngành sản xuất nhưng quy trình này vẫn được sử dụng hạn chế để chế tạo các bộ phận đòi hỏi mức độ chịu mỏi cao.
In 3D kim loại sử dụng tia laser để làm tan chảy bột kim loại và tích tụ thành các hình dạng phức tạp với chu kỳ chuẩn bị giảm thiểu, hoàn hảo để chế tạo nhanh chóng các vật dụng lớn, phức tạp.
Tuy nhiên, nhiệt độ cao được tạo ra bởi các chùm tia laser mạnh thường được sử dụng trong in ấn thường dẫn đến sự hình thành các lỗ khí bên trong các bộ phận, từ đó làm ảnh hưởng đến hiệu suất của hợp kim.
Những khoảng trống siêu nhỏ này có thể đóng vai trò là điểm tập trung ứng suất, tạo ra các vết nứt sớm và tạo điều kiện cho chúng lan rộng, do đó làm giảm độ mỏi của vật liệu.
Tập trung ứng suất là hiện tượng khi có sự biến động hay thay đổi đột ngột trong hình dạng của một vật liệu, điểm hoặc cấu trúc, dẫn đến việc tăng cường ứng suất tại các điểm cụ thể. Điều này thường xảy ra tại những vùng có sự thay đổi cục bộ trong hình dạng, chẳng hạn như các góc, cạnh hoặc các lỗ.
Khi có tập trung ứng suất, vùng đó trở thành một điểm yếu của hệ thống, nơi mà áp lực hoặc lực tác động có thể tập trung và gây ra các vấn đề như nứt, gãy, thậm chí là hỏng hóc của vật liệu. Điều này có thể dẫn đến giảm hiệu suất và độ bền của cấu trúc hoặc vật liệu đó.
Tập trung ứng suất thường được xem xét và quản lý trong thiết kế kỹ thuật để tránh những vấn đề tiềm ẩn và đảm bảo rằng cấu trúc được thiết kế để chịu tải trọng một cách hiệu quả.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu sản xuất một hợp kim titan không có lỗ rỗng. Họ đã phát triển quy trình sử dụng Ti-6Al-4V, hợp kim titan-nhôm-vanadi, đạt được khả năng chịu mỏi cao nhất trong số tất cả hợp kim titan cho đến nay.
Zhang Zhenjun cho biết trong một cuộc phỏng vấn với trang SCMP: “Lý thuyết của chúng tôi cho rằng lý tưởng nhất là các hợp kim được in trong điều kiện hoàn hảo sẽ thể hiện hiệu suất chịu mỏi vượt trội. Việc đạt được mục tiêu này thoạt nhìn có vẻ đơn giản. Tuy nhiên, sự đơn giản của nhiệm vụ đã đánh lừa chúng ta. Các kỹ thuật đang được sử dụng để loại bỏ những lỗ khí thường dẫn đến cấu trúc bên trong của hợp kim trở nên thô hơn. Giải quyết vấn đề này mà không tái tạo lại lỗ khí hoặc các ảnh hưởng tiêu cực khác là một thách thức. Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật mới gọi là xử lý Net-AM, thực hiện in ấn ở nhiệt độ cao”.
Theo Zhang Zhenjun, quá trình này bắt đầu bằng việc ép đẳng nhiệt nóng để loại bỏ các lỗ khí, sau đó làm nguội nhanh trước khi có bất kỳ sự thay đổi nào với cấu trúc bên trong của hợp kim.
Ép đẳng nhiệt nóng là ứng dụng đồng thời của nhiệt và áp suất thủy tĩnh để nén chặt và đông đặc một hoặc một phần của bột nén. Quá trình này tương tự như ép đẳng nhiệt lạnh, nhưng với nhiệt độ tăng cao và khí truyền áp suất đến bộ phận.
Sử dụng quy trình này đã tạo ra một hợp kim không có lỗ rỗng với độ chịu mỏi được cải thiện 106%, từ 475 MPa truyền thống lên 978 Mpa, kỷ lục thế giới.
Zhang Zhenjun cho biết: “Thành tựu này hứa hẹn rất lớn cho các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu nhẹ, chẳng hạn như hàng không vũ trụ và phương tiện sử dụng năng lượng mới”.
Đến nay, vật liệu này mới chỉ được sản xuất ở quy mô mẫu, ở dạng quả tạ với phần mỏng nhất có kích thước 3mm, quá nhỏ với hầu hết ứng dụng trong đời thực.
Theo Zhang Zhenjun, dù công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm nhưng đã có triển vọng ứng dụng rất lớn.
“Các phần dày hơn sẽ gặp phải hạn chế truyền nhiệt trong quá trình xử lý. Tuy nhiên, tiến bộ này đủ để chế tạo nhiều thiết bị mỏng hơn, phức tạp hơn”, ông nói.
Theo trang web CAS, nhiều bộ phận hàng không, bao gồm vòi phun tên lửa của NASA (Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ), khung đỡ máy bay chiến đấu J-20 và vòi phun nhiên liệu máy bay C919 của Trung Quốc, đã được chế tạo bằng công nghệ in 3D.
Với việc mở rộng quy mô trong tương lai, công nghệ này có thể sẵn sàng cho ứng dụng công nghiệp rộng rãi nhưng liệu sự phát triển của nó có tiếp tục thu hút sự hợp tác quốc tế hay không thì vẫn chưa rõ.
Nhóm khoa học Trung Quốc và Mỹ đã chỉ ra rằng những hạn chế của in 3D có thể được khắc phục để một ngày nào đó tạo ra các thành phần kim loại có khả năng chịu mỏi cao - Ảnh: Shutterstock
Hợp tác giữa Trung Quốc và Mỹ có xu hướng hiếm hoi khi công nghệ đã phát triển đủ để áp dụng cho các mục đích quân sự hoặc hàng không vũ trụ cụ thể hơn.
Zhang Zhenjun cho biết ngoài thành tích của nhóm, “nghiên cứu trên còn truyền cảm hứng cho một số hướng nghiên cứu mới cho công nghệ in 3D hiện tại”.
“Quan điểm cho rằng các cấu trúc vi mô in 3D không có khoảng trống có khả năng chống mỏi đặc biệt cao không chỉ áp dụng cho hợp kim titan mà còn được mở rộng cho các hệ vật liệu kim loại khác”, Zhang Zhenjun nói thêm.
