כמה חזק הוא תלת מימד - טיטניום מודפס

טיטניום הפך לחומר מפתח בחלל, השתלים רפואיים, ובגדול - קצה אלקטרוניקה צרכנית בגלל עמידותו הגבוהה, הקל משקל וקורוזיה. עם זאת, שיטות עיבוד מסורתיות, מוגבלות בעלויות עובש ומורכבות גיאומטרית, נאבקו לממש באופן מלא את הפוטנציאל שלה. פריצות דרך אחרונות בטכנולוגיית הדפסת תלת מימד חוללה מהפכה בביצועי הכוח של טיטניום, ולא רק שברו את "החוזק - סחר קשיחות - כבוי" במדע החומרים המסורתיים, אלא גם מאפשרים שליטה מדויקת במאפיינים ברמה המיקרו -מבנית.

פריצת דרך משבשת

בחומרי מתכת מסורתיים, חוזק וקשיחות לעתים קרובות מציגים סחר - כבוי. לדוגמה, סגסוגות כוח גבוה - בדרך כלל סגסוגות חוזק חוות ירידה בקשיחות כתוצאה מגזירה של תבואה, ואילו חומרי הקרבה של חומרי קשיחות {}- עקב חידוד התבואה. עם זאת, צוות משותף מהאקדמיה הסינית למדעים ואוניברסיטת צפון -מזרח, תוך שימוש בטכנולוגיית תמצית אנרגיה מכוונת (DED) כדי לייצר Ti₃zr₁.₅nbval₀.₂₅ גבוה {}}} סגסוגת אנטרופיה, השיגו תוצאות פורצות פריצה של חוזק תשואה של 914 MPa ו -27.4% עלון בהפסקה. זה מייצג שיפור של 9.5% בחוזק ו 50.5% בקשיחות בהשוואה לתהליכי יציקה מסורתיים. הישג זה, שפורסם ב- Acta Materialia, תלוי על תכנון מבני הטרוגני - באמצעות עיוות מתואם של גבישים עמודים ושוויון, נוצר מנגנון דעיכה פנימי "אביב-. מנגנון זה מתאים אוטומטית את חלוקת הלחץ תחת כוחות חיצוניים, ומשיג איזון דינאמי של חוזק וקשיחות.

באופן מרשים עוד יותר, מטא -חומר סגסוגת טיטניום שפותח על ידי צוות מאוניברסיטת RMIT באוסטרליה באמצעות טכנולוגיית Fusion Fusion Fusion (LPBF) משיג חוזק תשואה של 263 MPa בצפיפות של 1.8 גרם/ס"מ, שיפור של 60% לעומת סגסוגת המגנזיום המסחרית WE54. מבנה טופולוגי רב - זה, באמצעות תכנון מורכב של סריגי עמוד חלולים (HSLS) וסריג צלחות דקות (TPLS), מפיץ באופן שווה לחץ לאורך המיקרו -מבנה, תוך שהוא עולה על הגבול העליון התיאורטי של Gibson {}}} דגם אשבי ופותח את Trans track the Guight {6 {6.

מיקרומכניזמות

השיפור בחוזק המתכת של טיטניום שהושג באמצעות הדפסת תלת מימד הוא למעשה שילוב עמוק של פרמטרים של תהליכים ומדע חומרים:

קירור מהיר מדכא את ההפרדה: תהליך ה- DED משיג קצב קירור של 10⁴ - 10⁶k/s, הרבה יותר חורג מה- 10²k/s של יציקה מסורתית. קירור מהיר זה קירור מהיר קיצר זמן דיפוזיה אטומי - קיצר זמן דיפוזיה אטומי, משפר את אחידות ההפצה היסודית ב 90%ומונע משקעים של שלבים מזיקים. לדוגמה, בסגסוגת ti₃zr₁.₅nbval₀.₂₅, סטיית התקן של כל אלמנט במדגם DED הייתה נמוכה ב 72% מזו במצב היצירה, והניחה את הבסיס לתכונות מכניות מצוינות. מבנים הטרוגניים מפעילים מערכות החלקה מרובות: על ידי בקרת כוח לייזר ומהירות סריקה, דגימות DED מהוות מבנה מורכב של גבישים עמודים גסים (קוטר 50-100 מיקרומטר) וקריסטלים משוונים עדינים (קוטר 5-10 מיקרומטר). ניסויי טעינה מראים כי ממשק הטרוגני זה יכול להפעיל יותר מ- 12 מערכות החלקה עצמאיות, עלייה משמעותית מה- 3-5 בחומרים הומוגניים מסורתיים, וכתוצאה מכך עלייה פי שלושה ביכולת העיוות הפלסטית.

אופטימיזציה של טופולוגיה משיגה חלוקת לחץ אחידה: בעיצוב מטא -חומר, צוות RMIT הפך את המבנה הביולוגי של שושנת המים הוויקטוריאנית למודל מתמטי. בעזרת טופולוגיית TP - HSL, הם הפחיתו את גורם ריכוז הלחץ מ- 3.2 לסריג מסורתי ל 1.1. בדיקות דחיסה הראו כי המבנה שומר על עיוות אלסטי במתח של 20%, ואילו מבנים מסורתיים מניבים 8%.

תרחישי יישומים

יתרונות החוזק של תלת מימד - טיטניום מודפס מעצבים מחדש תעשיות מרובות:

AEROSPACE: GE תוסף להבי מאוורר סגסוגת טיטניום מודפסים עבור איירבוס A350, והשיגו ירידה במשקל של 40% באמצעות אופטימיזציה של טופולוגיה תוך הכפלת עמידות לעייפות. ב 600 מעלות, Ti - סגסוגת SF61 המיוצרת על ידי תהליך DED שומרת על חוזק תשואה של 600 מגה -פ"ס, העומדת בדרישות של רכיבי סיום של מנוע מטוסים-.

שתלים רפואיים: תלת מימד - השתלת גזע עצם סגסוגת טיטניום נקבובית שומרים על חוזק דחיסה של 300 MPa בנקבוביות של 80%, מה שמדגים שיפור של 50% בתאימות ביולוגית בהשוואה להשתלות מוצקות מסורתיות. בית חולים מנצ'סטר בבריטניה המותאם אישית צלחות שורש כף היד טיטניום באמצעות נתוני CT של המטופלים. תכנון מבנה הסריג מאיצן את שילוב העצמות בשלושה חודשים.

אלקטרוניקה צרכנית: ציר המסך המתקפל של Honor Magic V2 מנצל תלת מימד - כיסוי משמרת סגסוגת טיטניום מודפס, שהוא 150% חזק יותר מגרסת האלומיניום ורק בעובי 0.3 מ"מ. מארז הטיטניום של Apple Watch Ultra משיג עובי קיר מבוקר של 0.2 מ"מ באמצעות תהליך LPBF, וכתוצאה מכך התנגדות השפעה פי 2.3 מזה של נירוסטה 316L.

ממיקרו - בקרת תבואה למקרו - אופטימיזציה של טופולוגיה, הדפסת תלת מימד מגדירה מחדש את גבולות החוזק של טיטניום. בעוד שמדענים דוחפים גבולות תיאורטיים במעבדה, המהנדסים כבר הופכים את "המטא -חומרים" הללו למשחק - שינוי מוצרים במגזר התעשייתי. כפי שמגזין הטבע הצהיר בדו"ח מיוחד משנת 2024, "מהפכת הכוח בתלת מימד - טיטניום מודפס הוא לא רק ניצחון של מדעי החומרים, אלא גם שינוי פרדיגמה בפילוסופיית הייצור האנושי מ"חתך את הרגליים כדי להתאים את הנעליים" ל'תאימת הבגדים לצרכי האדם ".