บทความวิทยาศาสตร์ชิ้นที่สองในสาขาเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติสำหรับปี 2024 ได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันที่ 8 กุมภาพันธ์
จากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์, ออสเตรเลีย(จิงฉี จาง และคณะ)มหาวิทยาลัยฉงชิ่ง(จื๋อหยง โฮ, เสี่ยวซู หวง)มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีแห่งเดนมาร์กทีมวิจัยร่วมได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง "ไทเทเนียมอัลลอยด์ที่พิมพ์สามมิติแบบอัลตร้ายูนิฟอร์ม แข็งแรง และเหนียว ผ่านการออกแบบอัลลอยด์แบบสองหน้าที่"โลหะผสมไทเทเนียมที่ผลิตผ่านกระบวนการพิมพ์สามมิติสามารถบรรลุค่าความต้านทานแรงดึง 926 MPa และความยืดหยุ่น 261 TP3T ทำให้เกิดสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความยืดหยุ่น
ภูมิหลังการวิจัยในระหว่างการพิมพ์โลหะ 3 มิติ มักเกิดเม็ดผลึกที่มีลักษณะเป็นเสาหยาบและเฟสที่กระจายตัวไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดคุณสมบัติทางกลที่ไม่สม่ำเสมอหรือแม้กระทั่งต่ำ การวิจัยได้สำรวจกลยุทธ์การออกแบบที่ช่วยให้สามารถผลิตโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงและมีประสิทธิภาพสม่ำเสมอได้โดยตรงผ่านการพิมพ์ 3 มิติ ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าการเติมโมลิบดีนัม (Mo) ลงในส่วนผสมโลหะผงช่วยเพิ่มความเสถียรของเฟสในขณะที่ปรับปรุงความสม่ำเสมอของค่าความแข็งแรง ความเหนียว และคุณสมบัติการดึงในโลหะผสมที่พิมพ์ 3 มิติบทวิจารณ์ร่วมในวารสาร Science ระบุว่าแนวทางนี้มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้กับส่วนผสมผงประเภทอื่น ๆ และเปิดโอกาสให้สามารถปรับแต่งโลหะผสมต่าง ๆ ให้มีคุณสมบัติที่ดียิ่งขึ้นได้ตามต้องการ
สาเหตุหลักของสมบัติของโลหะผสมที่ไม่สม่ำเสมอในการพิมพ์โลหะ 3 มิติคือในระหว่างกระบวนการพิมพ์สามมิติแบบชั้นต่อชั้น โดยทั่วไป 103-108อัตราการทำความเย็นที่สูงของ K/s ก่อให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างมากบริเวณขอบและก้นของแอ่งโลหะเหลวที่เกิดจากผงโลหะ ความแตกต่างของอุณหภูมินี้ทำให้เกิดการเติบโตของเกรนแบบเอพิแทกเซียลตามแนวรอยต่อระหว่างวัสดุที่หลอมใหม่กับวัสดุแข็งที่อยู่ด้านล่าง โดยเกรนจะเติบโตไปทางศูนย์กลางของแอ่งโลหะเหลวการให้ความร้อนซ้ำและการหลอมละลายบางส่วนที่เกิดขึ้นเป็นวงจรระหว่างการพิมพ์หลายชั้น ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเม็ดผลึกขนาดใหญ่แบบเสาและเฟสที่กระจายตัวไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทั้งสองผลลัพธ์นี้ไม่พึงประสงค์ เนื่องจากอาจนำไปสู่ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในทิศทางต่าง ๆ และลดทอนสมบัติทางกลของวัสดุ
ความแข็งแรง-ความเหนียวของวัสดุโลหะชนิดต่างๆ
โลหะผสมไททาเนียมจัดเป็นหนึ่งในวัสดุที่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการพิมพ์โลหะ 3 มิติ ในงานวิศวกรรมที่อุณหภูมิห้อง โลหะผสมไททาเนียมที่เหมาะสมมักแสดงการยืดตัวขณะดึง (tensile elongation) อยู่ที่ 10%-25% ซึ่งสะท้อนถึงความน่าเชื่อถือของวัสดุที่ดี แม้ว่าการยืดตัวที่มากขึ้น (ความเหนียว) จะช่วยให้ขึ้นรูปได้ง่ายกว่าและได้รับความสำคัญในบางงาน แต่การเพิ่มความแข็งแรงภายในช่วงการยืดตัวนี้มักเป็นที่ต้องการมากกว่าสำหรับการรับแรงทางกลความสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวได้ถูกนำมาพิจารณาอย่างต่อเนื่องในเทคนิคการผลิตแบบดั้งเดิมและแบบเพิ่มเติมสำหรับการแปรรูปวัสดุโลหะ
กลยุทธ์และข้อจำกัดในการเพิ่มพูนความแข็งแรงและความเหนียว
กลยุทธ์ในการเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียวของโลหะผสมที่พิมพ์ด้วยระบบ 3 มิติ มีหลากหลายวิธีซึ่งครอบคลุมการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบโลหะผสม การควบคุมกระบวนการ การเสริมความแข็งแรงด้วยเม็ดละเอียดและการปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาค รวมถึงการยับยั้งเฟสที่ไม่พึงประสงค์ (เปราะ) การเพิ่มเฟสทุติยภูมิ และการประยุกต์ใช้กระบวนการหลังการผลิตงานวิจัยปัจจุบันที่มุ่งเน้นผลึกแบบคอลัมน์และเฟสที่ไม่พึงประสงค์ มุ่งเน้นไปที่การเติมธาตุในสถานที่เพื่อเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคและองค์ประกอบของเฟส วิธีการนี้ยังส่งเสริมการเกิดเกรนที่มีลักษณะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสเท่ากันทุกด้าน ซึ่งโครงสร้างนี้มีขนาดเกรนที่เท่ากันทั้งในแนวตามยาวและแนวขวาง การผสมโลหะในสถานที่เสนอแนวทางที่มีแนวโน้มในการเอาชนะการแลกเปลี่ยนระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวโดยเฉพาะในเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ เช่น การหลอมรวมบนเตียงผง และการสะสมพลังงานแบบกำหนดทิศทาง。
นักวิจัยได้ศึกษาลักษณะของเมล็ดและสมบัติทางกลของโลหะผสมที่พิมพ์ด้วยระบบ 3 มิติเมื่อมีการเติมธาตุต่าง ๆ เข้าไป ตัวอย่างเช่น การผสมอนุภาคนาโนเซรามิกซิลิโคไนต์ไฮไดรด์เข้าไปในโลหะผสมอะลูมิเนียมที่ไม่สามารถพิมพ์ได้ ทำให้ได้วัสดุที่สามารถพิมพ์ได้ ไม่มีรอยแตก และมีโครงสร้างจุลภาคแบบเอควิแอ็กซ์ที่ละเอียด รวมถึงสมบัติทางแรงดึงที่เทียบเคียงได้กับวัสดุที่ผ่านการตีขึ้นรูปอย่างไรก็ตาม สำหรับโลหะผสมไทเทเนียม ตัวปรับโครงสร้างเม็ดที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์มักให้ผลที่จำกัดต่อโครงสร้างเม็ด กลไกการปรับโครงสร้างในโลหะผสมไทเทเนียม โดยเฉพาะการเปลี่ยนรูปจากโครงสร้างคอลัมน์เป็นโครงสร้างเอกซ์แอ็กซ์ในระหว่างการแข็งตัวของการพิมพ์สามมิติ ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางแล้ว แต่ยังคงมีข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพอยู่ความพยายามในการเอาชนะอุปสรรคนี้รวมถึงการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์การประมวลผล การใช้คลื่นเสียงความเข้มสูง การแนะนำโครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอที่ต้องการผ่านการออกแบบโลหะผสม การเพิ่มสารละลายที่เป็นตัวปรับขนาดเกรนซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดนิวเคลียสที่ไม่สม่ำเสมอ และการรวมสารละลายที่มีความสามารถในการลดอุณหภูมิได้สูง องค์ประกอบเช่น สารคงสภาพ β-eutectoid Cu, Fe, Cr, Co, และ Ni ซึ่งมีความละลายในไทเทเนียมจำกัด ถูกนำมาใช้
การค้นพบครั้งสำคัญที่เกิดจากการวิจัยใหม่นักวิจัยไม่ได้ใช้ธาตุเสถียรภาพการตกตะกอนแบบ β ที่สามารถก่อให้เกิดเฟสยูเทคติกอินเตอร์เมทัลลิกที่เปราะในโลหะผสมไทเทเนียม แต่เลือกใช้โมลิบดีนัม (Mo) จากกลุ่มไอโซมอร์ฟัส β ซึ่งรวมถึงนีโอเบียม (Nb), แทนทาลัม (Ta) และวานาเดียม (V) สำหรับ Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)ในระหว่างการผสมโลหะในสถานที่ โมลิบดีนัมถูกส่งเข้าไปในสระหลอมอย่างแม่นยำ ทำหน้าที่เป็นเมล็ดสำหรับการก่อตัวของผลึกและการปรับปรุงผลึกในแต่ละชั้นที่สแกน สารเติม Mo ช่วยให้การเปลี่ยนแปลงจากเม็ดคอลัมน์หยาบเป็นโครงสร้างเม็ดคอลัมน์ที่ละเอียดและเท่ากันในทิศทางต่างๆ Mo ยังช่วยรักษาเฟส β ที่ต้องการให้คงที่และยับยั้งการก่อตัวของเฟสที่ไม่สม่ำเสมอในระหว่างการเปลี่ยนผ่านความร้อน
การวิเคราะห์ลักษณะของไทเทเนียมอัลลอย Ti-5553 ที่เจือด้วยโมลิบดีนัม
นักวิจัยได้เปรียบเทียบค่าความต้านทานแรงดึงและค่าการยืดตัวเมื่อเกิดการแตกตัวของ Ti-5553+5Mo กับ Ti-5553 (พร้อมกับ Ti-55531 และ Ti-55511) ที่ผลิตในสภาวะ L-PBF ตามสภาพที่ผลิตและหลังจากการอบชุบด้วยความร้อนหลังการพิมพ์ เมื่อเปรียบเทียบกับ Ti-5553 ในสภาวะที่ผลิตแล้วและโลหะผสมที่คล้ายคลึงกัน Ti-5553+5Mo แสดงค่าความต้านทานแรงดึงที่ใกล้เคียงกัน แต่มีความเหนียวเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญการอบความร้อนหลังการพิมพ์มักถูกนำมาใช้เพื่อปรับสมดุลสมบัติเชิงกลของ Ti-5553 ที่ผลิตด้วยวิธี L-PBF แม้ว่าสามารถได้ค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด (>1100 MPa) ภายใต้เงื่อนไขการอบความร้อนบางประการ แต่ความยืดหยุ่นมักจะลดลงอย่างมาก โดยมีความยืดตัวขณะแตกหัก <10% ซึ่งจำกัดการใช้งานในสถานการณ์ที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัยตัวอย่างเช่น Ti6Al4V—ซึ่งถือเป็นวัสดุหลักในอุตสาหกรรมไทเทเนียม—ต้องการการยืดตัวขณะแตกหักขั้นต่ำที่ 10% สำหรับการใช้งานที่แนะนำ ในทางตรงกันข้าม Ti-5553+5Mo ที่พิมพ์ด้วย L-PBF แสดงสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวที่ยอดเยี่ยมโดยไม่ต้องผ่านการอบความร้อนในกระบวนการถัดไป ซึ่งทำให้แตกต่างจากโลหะผสมที่เทียบเคียงได้ ในที่สุด นักวิจัยได้ใช้กลยุทธ์นี้ในการผลิตวัสดุที่แสดงถึงความสม่ำเสมอของสมบัติที่ยอดเยี่ยม โดยมีค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดไหลตัว (yield strength) 926 เมกะปาสคาล (MPa) และค่าการยืดตัวเมื่อแตกหัก (elongation at fracture) 261% (TP3T)
โครงสร้างจุลภาคและสมบัติเชิงกลของ Ti-5553 ที่ผลิตด้วยวิธี L-PBF
สมบัติทางกลของ Ti-5553 และ Ti-5553+5Mo ที่ผลิตโดย L-PBF
เมื่อเปรียบเทียบกับ Ti-5553, Ti-5553+5Mo แสดงสมบัติทางกลที่สม่ำเสมออย่างโดดเด่นพร้อมประสิทธิภาพที่ดีขึ้น การวิเคราะห์ด้วยไมโครคอมพิวเตอร์โทโมกราฟี (micro-CT) ซึ่งใช้ในการประเมินคุณภาพของส่วนประกอบ พบว่ามีความหนาแน่นสูงเป็นพิเศษสำหรับวัสดุทั้งสองชนิด โดยมีปริมาตรช่องว่างทั้งหมดเป็น 0.004024% และ 0.001589% ตามลำดับความหนาแน่นที่สูงเช่นนี้บ่งชี้ว่าความพรุนไม่น่าจะเป็นสาเหตุของสมบัติการดึงที่กระจายตัวสูงซึ่งพบใน Ti-5553 และยังสอดคล้องกับความสม่ำเสมอสูงของสมรรถนะทางกลของ Ti-5553+5Mo อีกด้วย เพื่ออธิบายผลกระทบของการเติม Mo ต่อโครงสร้างเม็ดเนื้อ นักวิจัยได้ทำการวิเคราะห์ทั้ง Ti-5553 และ Ti-5553 ที่เจือ Mo โดยใช้การเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนแบบย้อนกลับ (EBSD)โครงสร้างจุลภาคของ Ti-5553 ประกอบด้วยเม็ดขนาดใหญ่ที่เรียงตัวตามทิศทางการสแกน แสดงลักษณะเนื้อผลึกที่เด่นชัด การเติม Mo ในปริมาณ 5.0% โดยน้ำหนักลงใน Ti-5553 ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในโครงสร้างเม็ดและลักษณะผลึกที่เกี่ยวข้อง สามารถสังเกตเห็นเม็ดขนาดเล็กที่มีลักษณะเป็นทรงกลมเท่ากันทุกด้าน (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 ไมโครเมตร) ได้อย่างชัดเจน ซึ่งเกิดขึ้นตามแนวขอบของเส้นทางการสแกนใน Ti-5553+5Moในทางตรงกันข้าม โครงสร้างจุลภาคของ Ti-5553+5Mo มีลักษณะเป็นเม็ดเนื้อละเอียดแบบสมมาตรทุกทิศทางและผลึกทรงกระบอกแคบที่เรียงตัวตามทิศทางของเนื้อสัมผัส เมื่อพิจารณาโครงสร้างจุลภาคอย่างละเอียดจะพบการกระจายตัวเป็นระยะๆ ของผลึกทรงกระบอกละเอียดเหล่านี้แตกต่างจากเม็ดที่มีพื้นผิวหยาบและเป็นรูปเสาใน Ti-5553 ซึ่งครอบคลุมหลายชั้น ขนาดความยาวของเม็ดที่มีรูปเสาใน Ti-5553+5Mo ถูกกำหนดโดยขนาดของแอ่งหลอมเหลว และเนื้อเม็ดจะกลายเป็นแบบสุ่มและอ่อนแอ
การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของ Ti-5553 และ Ti-5553+5Mo
การวิเคราะห์เฟสของ Ti-5553 และ Ti-5553 ที่เจือด้วยโมลิบดีนัม
การวิเคราะห์ลักษณะของรอยแตกของตัวอย่างที่ผลิตจาก Ti-55535 โดยใช้เทคนิค EBSDสิ้นสุด
อย่างไรก็ตาม นักวิจัยได้ระบุอนุภาคโมลิบดีนัมที่ยังไม่ละลายภายในโครงสร้างจุลภาค และผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นยังไม่ชัดเจน อันที่จริง การปรากฏตัวของอนุภาคที่ยังไม่ละลายในกลยุทธ์การผสมโลหะในสถานที่จริงแบบสุ่มทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลและการกัดกร่อนตัวอย่างเช่น การหลอมละลายของอนุภาคโลหะผสมในตำแหน่งเดิมทั้งหมดอาจต้องใช้พลังงานสูงกว่า ในขณะที่การให้ความร้อนเกินอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลที่เสื่อมลง นอกจากนี้ ผลกระทบของอนุภาค Mo ที่ไม่ละลายต่อพฤติกรรมความล้าแบบไดนามิกและการกัดกร่อนยังคงเป็นที่เข้าใจไม่ดีนัก แม้ว่าการอบชุบหลังการพิมพ์สามารถกำจัดอนุภาคที่ไม่ละลายได้ แต่อาจทำให้โครงสร้างจุลภาคเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพทางกลได้
โดยรวมแล้ว กลยุทธ์การออกแบบที่นำเสนอในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์นี้ได้เปิดทางสำหรับการสำรวจวัตถุดิบผงโลหะที่หลากหลาย ระบบโลหะผสมที่สามารถพิมพ์ได้ เทคนิคการพิมพ์สามมิติที่หลากหลาย และการพิมพ์แบบหลายวัสดุขั้นสูง นอกจากนี้ยังช่วยยับยั้งการก่อตัวของเม็ดผลึกแบบเสาและป้องกันการเกิดความเป็นเนื้อเดียวของเฟสที่ไม่พึงประสงค์ปัญหาเหล่านี้เกิดจากการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน ซึ่งได้รับอิทธิพลจากพารามิเตอร์การพิมพ์ที่เฉพาะเจาะจงสำหรับผงแต่ละชนิด กลยุทธ์นี้ยังช่วยแก้ปัญหาการแลกเปลี่ยนระหว่างความแข็งแรงและความยืดหยุ่นในสภาพการพิมพ์ได้ในขณะที่ลดความต้องการในการประมวลผลหลังการผลิตให้เหลือน้อยที่สุด ข้อได้เปรียบเหล่านี้แน่นอนว่าจะกระตุ้นให้เกิดกิจกรรมการวิจัยที่สำคัญในสาขาการพิมพ์ 3 มิติ
