Chìa khóa vật liệu cho nhiều ứng dụng quan trọng trong hàng không vũ trụ và sản xuất năng lượng phải có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và ứng suất kéo mà không bị hỏng. Giờ đây, một nhóm các kỹ sư do MIT đứng đầu báo cáo một cách đơn giản, rẻ tiền để tăng cường sức mạnh cho một trong những vật liệu chính được sử dụng ngày nay trong các ứng dụng như vậy.
Hơn nữa, nhóm nghiên cứu tin rằng phương pháp chung của họ, bao gồm việc in 3D bột kim loại được tăng cường bằng dây nano gốm, có thể được sử dụng để cải thiện nhiều vật liệu khác. Ju Li, Giáo sư Kỹ thuật Hạt nhân của Liên minh Năng lượng Battelle và là giáo sư cho biết: "Luôn có nhu cầu đáng kể về việc phát triển các vật liệu có khả năng cao hơn cho các môi trường khắc nghiệt. Chúng tôi tin rằng phương pháp này có tiềm năng lớn cho các vật liệu khác trong tương lai". Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật (DMSE) của MIT.
Li, người cũng liên kết với Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu (MRL), là một trong ba tác giả tương ứng của bài báo về công trình xuất hiện trong số ra ngày 5 tháng 4 của tạp chí Additive Manufacturing . Các tác giả tương ứng khác là Giáo sư Wen Chen của Đại học Massachusetts ở Amherst và Giáo sư A. John Hart của Khoa Kỹ thuật Cơ khí MIT.
Hướng tới hiệu suất tốt hơn
Cách tiếp cận của nhóm bắt đầu với Inconel 718, một "siêu hợp kim" phổ biến hoặc kim loại có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ 700°C (khoảng 1.300°F). Họ nghiền bột Inconel 718 thương mại với một lượng nhỏ dây nano gốm, dẫn đến "sự trang trí đồng nhất của gốm nano trên bề mặt của các hạt Inconel", nhóm nghiên cứu viết.
Bột thu được sau đó được sử dụng để tạo ra các bộ phận thông qua phản ứng tổng hợp giường bột bằng laser, một hình thức in 3D. Quá trình đó liên quan đến việc in các lớp bột mỏng, mỗi lớp này được tiếp xúc với tia laser di chuyển qua bột, làm tan chảy nó theo một mẫu cụ thể. Sau đó, một lớp bột khác được trải lên trên và quy trình lặp lại với tia laser di chuyển để làm tan chảy hoa văn cho lớp mới và liên kết nó với lớp bên dưới. Quy trình tổng thể có thể tạo ra các bộ phận 3D phức tạp.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các bộ phận được làm theo cách này bằng loại bột mới của họ có độ xốp ít hơn đáng kể và ít vết nứt hơn so với các bộ phận chỉ làm bằng Inconel 718. Và điều đó dẫn đến các bộ phận mạnh hơn đáng kể cũng như có một số lợi thế khác. Ví dụ, chúng dễ uốn hơn—hoặc có thể co giãn—và có khả năng chống bức xạ và tải trọng nhiệt độ cao tốt hơn nhiều.
Ngoài ra, bản thân quy trình này không tốn kém vì "nó hoạt động với các máy in 3D hiện có. Chỉ cần sử dụng bột của chúng tôi và bạn sẽ có hiệu suất tốt hơn nhiều", Li nói.
Xu Song, trợ lý giáo sư tại Đại học Hồng Kông Trung Quốc, người không tham gia vào nghiên cứu, nhận xét: "Trong bài báo này, các tác giả đề xuất một phương pháp mới để in vật liệu tổng hợp ma trận kim loại của Inconel 718 được gia cố bằng dây nano [gốm]. Sự hòa tan tại chỗ của gốm do quá trình nung chảy bằng laser gây ra đã tăng cường khả năng chịu nhiệt và độ bền của Inconel 718. Hơn nữa, việc gia cố tại chỗ đã làm giảm kích thước hạt và loại bỏ các vết nứt. bao gồm cả việc sửa đổi đối với đồng có độ phản xạ cao và triệt tiêu đứt gãy đối với các siêu hợp kim, rõ ràng có thể được hưởng lợi từ kỹ thuật này."
Một không gian mới rộng lớn
Li cho biết công trình "có thể mở ra một không gian rộng lớn mới cho thiết kế hợp kim" vì tốc độ làm nguội của các lớp hợp kim kim loại được in 3D siêu mỏng nhanh hơn nhiều so với tốc độ của các bộ phận lớn được tạo ra bằng quy trình đông đặc nóng chảy thông thường. Do đó, "nhiều quy tắc về thành phần hóa học áp dụng cho đúc số lượng lớn dường như không áp dụng cho loại in 3D này. Vì vậy, chúng tôi có không gian thành phần lớn hơn nhiều để khám phá kim loại cơ bản có bổ sung gốm."
Emre Tekoğlu, một trong những tác giả chính của bài báo Sản xuất bồi đắp, cho biết: "Thành phần này là một trong những thành phần đầu tiên chúng tôi quyết định, vì vậy thật thú vị khi có được những kết quả này trong cuộc sống thực. Vẫn còn một không gian khám phá rộng lớn. Chúng tôi sẽ tiếp tục khám phá các công thức composite Inconel mới để tạo ra các vật liệu có thể chịu được các môi trường khắc nghiệt hơn."
Alexander O'Brien, một tác giả chính khác, cho biết: "Độ chính xác và khả năng mở rộng của in 3D đã mở ra một thế giới khả năng mới cho thiết kế vật liệu. Kết quả của chúng tôi ở đây là một bước khởi đầu thú vị trong một quy trình chắc chắn sẽ có tác động lớn tác động đến thiết kế cho hạt nhân, hàng không vũ trụ và tất cả các thế hệ năng lượng trong tương lai."
