Bài báo thứ hai về công nghệ in 3D năm 2024 được đăng trên tạp chí Science vào ngày 8 tháng 2.

TừĐại học Queensland, Úc(Jingqi Zhang và các cộng sự),Đại học Trùng Khánh(Ziyong Hou, Xiaoxu Huang)Đại học Công nghệ Đan MạchNhóm nghiên cứu liên hợp đã công bố bài báo có tiêu đề "Hợp kim titan in 3D siêu đồng nhất, mạnh mẽ và dẻo dai thông qua thiết kế hợp kim hai chức năng".Hợp kim titan được chế tạo bằng in 3D đạtĐộ bền kéo 926MPa và độ dẻo 26%, đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.

Bối cảnh nghiên cứuTrong quá trình in 3D kim loại, thường xuất hiện các hạt tinh thể cột lớn và phân bố không đồng đều, dẫn đến tính chất cơ học không đồng đều hoặc thậm chí kém. Nghiên cứu đề cập đến một chiến lược thiết kế cho phép trực tiếp sản xuất hợp kim titan có độ bền cao và tính chất đồng nhất thông qua in 3D. Nghiên cứu cho thấy việc bổ sung molypden (Mo) vào hỗn hợp bột kim loại đã tăng cường tính ổn định pha và cải thiện độ đồng nhất về độ bền, độ dẻo và tính chất kéo của hợp kim in 3D. Bài báo bình luận cùng kỳ trên tạp chí Science chỉ ra rằng phương pháp này có thể được áp dụng cho các hỗn hợp bột khác và có thể tùy chỉnh các hợp kim khác nhau có tính chất được tăng cường.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự không đồng đều về tính chất của hợp kim in 3D kim loại làTrong quá trình in 3D từng lớp, thường có 10³-10⁸Tốc độ làm mát cao (K/s) tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể ở rìa và đáy vùng nóng chảy của bột kim loại. Sự chênh lệch nhiệt độ này gây ra sự phát triển tinh thể ngoại vi dọc theo giao diện giữa vật liệu mới nóng chảy và vật liệu rắn bên dưới, với các tinh thể phát triển hướng về trung tâm vùng nóng chảy. Quá trình gia nhiệt và tái nung chảy một phần trong quá trình in nhiều lớp cuối cùng dẫn đến sự hình thành các hạt cột lớn và sự phân bố không đồng đều của các pha, cả hai đều không mong muốn vì chúng có thể dẫn đến tính dị hướng và giảm tính chất cơ học bị hư hỏng.

Độ bền và độ dẻo của các loại vật liệu kim loại

Hợp kim titan là một trong những vật liệu in 3D kim loại được sử dụng rộng rãi nhất. Trong các ứng dụng kỹ thuật ở nhiệt độ môi trường, hợp kim titan phù hợp thường có độ giãn dài kéo từ 10% đến 25%, phản ánh độ tin cậy cao của vật liệu. Mặc dù độ giãn dài cao hơn (độ dẻo) có lợi cho việc định hình dễ dàng hơn và được ưu tiên trong một số ứng dụng, việc tăng cường độ trong phạm vi độ giãn dài này thường được ưu tiên để chịu tải cơ học. Trong các công nghệ gia công kim loại truyền thống và sản xuất bồi đắp, luôn cần phải cân nhắc giữa độ bền và độ dẻo.

Chiến lược và hạn chế để tăng cường độ và độ dẻo dai

Có nhiều chiến lược để tăng cường độ và độ dẻo của hợp kim in 3D.Trong đó bao gồm tối ưu hóa thiết kế hợp kim, kiểm soát quy trình, tăng cường ranh giới tinh thể và sửa đổi cấu trúc vi mô của hạt tinh thể, cũng như ức chế các pha không mong muốn (dòn), giới thiệu pha thứ hai và thực hiện xử lý sau. Hiện nay, nghiên cứu giải quyết vấn đề tinh thể cột và pha xấu tập trung vào việc pha tạp nguyên tố tại chỗ để thay đổi cấu trúc vi mô và thành phần pha. Phương pháp này cũng thúc đẩy sự hình thành tinh thể đồng trục, tức là cấu trúc có kích thước hạt gần như bằng nhau dọc theo trục dọc và trục ngang. Hợp kim hóa tại chỗ là một phương pháp đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.Đặc biệt là trong các công nghệ in 3D như nung chảy giường bột và lắng đọng năng lượng định hướng.。

Các nhà nghiên cứu đã khám phá hình thái hạt và tính chất cơ học khi thêm các nguyên tố khác nhau vào hợp kim in 3D. Ví dụ, khi trộn các hạt nano gốm zirconium hydride vào hợp kim nhôm không thể in, họ đã thu được vật liệu có thể in và không bị nứt, với cấu trúc vi mô tinh thể đồng trục và tính chất kéo tương đương với vật liệu rèn. Tuy nhiên, đối với hợp kim titan, các chất làm mịn hạt bán trên thị trường thường có tác dụng hạn chế đối với cấu trúc hạt. Cơ chế làm mịn của hợp kim titan, đặc biệt là sự chuyển đổi từ hình trụ sang hình lập phương trong quá trình đông đặc in 3D, đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng vẫn còn những hạn chế về hiệu quả. Các nỗ lực để khắc phục trở ngại này bao gồm thay đổi các thông số gia công, ứng dụng siêu âm cường độ cao, thiết kế hợp kim để tạo ra cấu trúc dị chất cần thiết, thêm chất hòa tan làm chất làm mịn hạt như điểm kết tinh dị chất, và pha trộn chất hòa tan có khả năng siêu lạnh cao. Các nguyên tố ổn định β-eutectic như Cu, Fe, Cr, Co và Ni hạn chế độ hòa tan trong titan.

Những bước đột phá quan trọng từ nghiên cứu mớiTrong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu không sử dụng các nguyên tố ổn định β-peritectic có thể dẫn đến sự hình thành các pha peritectic kim loại giòn trong hợp kim titan, mà thay vào đó đã chọn các nguyên tố Mo thuộc nhóm β-isomorphous (bao gồm niobium (Nb), tantalum (Ta) và vanadium (V)) cho hợp kim Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr). Trong quá trình hợp kim hóa tại chỗ, molypden được đưa chính xác vào bể nóng chảy, đóng vai trò là hạt nhân hình thành và tinh thể hóa trong quá trình quét từng lớp. Phụ gia Mo thúc đẩy sự chuyển đổi từ cấu trúc tinh thể cột lớn sang cấu trúc tinh thể đồng trục và cột hẹp. Mo cũng có thể ổn định pha β mong muốn và ức chế sự hình thành dị chất trong quá trình tuần hoàn nhiệt.

Ti-5553 hợp kim titan pha Mo đặc trưng

Các nhà nghiên cứu đã so sánh độ bền kéo và độ giãn dài khi gãy của Ti-5553+5Mo với Ti-5553 (cũng như Ti-55531 và Ti55511) được sản xuất ở trạng thái L-PBF và sau khi xử lý nhiệt sau in. So với Ti-5553 ở trạng thái sản xuất và các hợp kim tương tự, Ti-5553+5Mo cho thấy độ bền kéo tương đương nhưng độ dẻo dai được cải thiện đáng kể. Quá trình xử lý nhiệt sau in thường được sử dụng để cân bằng các tính chất cơ học của Ti-5553 được sản xuất bằng L-PBF. Mặc dù có thể đạt được độ bền kéo cao (>1100 MPa) trong một số điều kiện xử lý nhiệt, nhưng độ dẻo thường bị suy giảm đáng kể, độ giãn dài khi đứt <10%, điều này hạn chế việc sử dụng trong các ứng dụng quan trọng về an toàn. Ví dụ, đối với Ti6Al4V, được coi là loại hợp kim chính trong ngành công nghiệp titan, độ giãn dài đứt gãy tối thiểu được khuyến nghị là 10%. Ngược lại, vật liệu Ti-5553+5Mo in trực tiếp bằng L-PBF không cần xử lý nhiệt sau đó vẫn thể hiện sự cân bằng tuyệt vời giữa độ bền và độ dẻo, giúp nó nổi bật so với các hợp kim tương tự. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng chiến lược này để sản xuấtVật liệu có tính đồng nhất về tính năng xuất sắc, độ bền kéo 926MPa, độ giãn dài khi đứt 26%.

Cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của Ti-5553 được sản xuất bằng phương pháp L-PBF

Tính chất cơ học của Ti-5553 và Ti-5553+5Mo được sản xuất bằng công nghệ L-PBF

So với Ti-5553, Ti-5553+5Mo có tính chất cơ học đồng đều bất thường và được cải thiện. Thông qua quét cắt lớp vi tính (micro-CT), để đánh giá chất lượng chi tiết, cả hai vật liệu đều thể hiện mật độ rất cao, với tỷ lệ thể tích lỗ rỗng lần lượt là 0,004024% và 0,001589%. Mật độ cao như vậy cho thấy tỷ lệ lỗ rỗng không thể dẫn đến tính chất kéo phân tán cao của Ti-5333, và cũng phù hợp với tính nhất quán cao của tính chất cơ học của Ti-5553+5Mo. Để làm rõ ảnh hưởng của việc bổ sung Mo đối với cấu trúc hạt, các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích tán xạ ngược điện tử (EBSD) đối với Ti-5553 và Ti-5553 pha tạp Mo. Cấu trúc vi mô của Ti-5553 bao gồm các hạt tương đối lớn dọc theo hướng quét, thể hiện cấu trúc tinh thể mạnh mẽ. Việc thêm 5,0wt% Mo vào Ti-5553 sẽ dẫn đến sự thay đổi đáng kể về cấu trúc hạt và cấu trúc tinh thể liên quan. Nhiều hạt tinh thể đồng trục nhỏ (đường kính khoảng 20μm) rất rõ ràng, hình thành dọc theo rìa đường quét của Ti-5553+5Mo. Ngược lại, cấu trúc vi mô của Ti-5553+5Mo được đặc trưng bởi các hạt tinh thể đồng trục nhỏ và các tinh thể cột hẹp dọc theo hướng cấu trúc. Kiểm tra kỹ cấu trúc vi mô cho thấy sự phân bố tuần hoàn của các hạt tinh thể cột nhỏ. Khác với các tinh thể cột có cấu trúc cao trong Ti-5553 trải dài qua nhiều lớp, kích thước của các tinh thể cột trong Ti-5553+5Mo được quyết định bởi kích thước của vũng nóng chảy, và cấu trúc tinh thể trở nên ngẫu nhiên và yếu.

Phân tích cấu trúc vi mô của Ti-5553 và Ti-5553+5Mo

Phân tích pha của Ti-5553 và Ti-5553 pha tạp molypden

Phân tích EBSD của mẫu thử gãy được chế tạo từ Ti-55535END

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã xác định được các hạt molypden không tan trong cấu trúc vi mô, và tác động tiềm ẩn của chúng vẫn chưa rõ ràng. Trên thực tế, sự hiện diện ngẫu nhiên của các hạt không tan trong chiến lược hợp kim hóa tại chỗ đã gây ra lo ngại liên quan đến tính chất cơ học và ăn mòn. Ví dụ, việc nung chảy hoàn toàn các hạt hợp kim tại chỗ có thể cần nhiều năng lượng hơn, và quá nhiệt có thể dẫn đến thay đổi cấu trúc vi mô và làm giảm tính chất cơ học. Ngoài ra, tính chất mỏi động và ăn mòn do các hạt Mo không tan gây ra vẫn chưa rõ ràng. Mặc dù xử lý nhiệt sau khi in có thể loại bỏ các hạt không tan, nhưng nó có thể thay đổi cấu trúc vi mô, từ đó có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học.

Tổng quan, chiến lược thiết kế được đề xuất trong nghiên cứu này của Science mở ra một con đường để khám phá các loại bột kim loại khác nhau, các hệ thống hợp kim in 3D khác nhau, các công nghệ in 3D khác nhau và in đa vật liệu tiên tiến. Nó cũng có thể ức chế sự hình thành của các hạt tinh thể hình trụ và ngăn chặn sự không đồng đều của các pha không mong muốn. Những vấn đề này phát sinh do sự phân bố nhiệt khác nhau, mà sự phân bố nhiệt này bị ảnh hưởng bởi các thông số in của từng loại bột. Chiến lược này cũng khắc phục được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo trong quá trình in, đồng thời giảm thiểu nhu cầu xử lý sau in, những ưu điểm này chắc chắn sẽ tạo ra một làn sóng nghiên cứu trong lĩnh vực in 3D.