Đường dẫn ánh sáng tia X năng lượng cao đến in 3D Một trong những loại thép không gỉ bền nhất

Đối với máy bay, tàu chở hàng, nhà máy điện hạt nhân và các công nghệ quan trọng khác, sức mạnh và độ bền là điều cần thiết. Đây là lý do tại sao nhiều loại có chứa một hợp kim bền và chống ăn mòn đáng kể được gọi là thép không gỉ làm cứng kết tủa (PH) 17-4. Giờ đây, lần đầu tiên, thép 17-4 PH có thể được in 3D một cách nhất quán mà vẫn giữ được các đặc tính có lợi của nó.

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST), Đại học Wisconsin-Madison và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đã xác định các thành phần thép 17-4 cụ thể, khi được in ra, phù hợp với các đặc tính của phiên bản được sản xuất thông thường. Chiến lược của các nhà nghiên cứu, được mô tả trên tạp chí  Additive Manufacturing ,  dựa trên dữ liệu tốc độ cao về quy trình in mà họ thu được bằng cách sử dụng tia X năng lượng cao từ máy gia tốc hạt.

Những phát hiện mới có thể giúp các nhà sản xuất các bộ phận 17-4 PH sử dụng in 3D để cắt giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong sản xuất của họ. Cách tiếp cận được sử dụng để kiểm tra vật liệu trong nghiên cứu này cũng có thể giúp bạn hiểu rõ hơn về cách in các loại vật liệu khác cũng như dự đoán các đặc tính và hiệu suất của chúng.

Mặc dù có những ưu điểm so với sản xuất thông thường, nhưng in 3D một số vật liệu có thể tạo ra kết quả không nhất quán đối với một số ứng dụng nhất định. In kim loại đặc biệt phức tạp, một phần là do nhiệt độ thay đổi nhanh như thế nào trong quá trình này.

Nhà vật lý của NIST cho biết : “Khi bạn nghĩ về sản xuất bồi đắp kim loại, về cơ bản, chúng tôi đang hàn hàng triệu hạt bột nhỏ li ti thành một mảnh bằng nguồn năng lượng cao như tia laze, làm tan chảy chúng thành chất lỏng và làm nguội chúng thành chất rắn”. Fan Zhang, một đồng tác giả nghiên cứu. “ Nhưng tốc độ làm mát cao, đôi khi cao hơn một triệu độ C mỗi giây và điều kiện cực kỳ mất cân bằng này tạo ra một loạt các thách thức đo lường phi thường.”

Zhang cho biết, do vật liệu nóng lên và nguội đi quá nhanh nên sự sắp xếp hay cấu trúc tinh thể của các nguyên tử bên trong vật liệu thay đổi nhanh chóng và rất khó xác định. Không hiểu điều gì đang xảy ra với cấu trúc tinh thể của thép khi nó được in, các nhà nghiên cứu đã phải vật lộn trong nhiều năm để in 3D 17-4 PH, trong đó cấu trúc tinh thể phải vừa phải, một loại được gọi là martensite, để vật liệu thể hiện đặc tính được tìm kiếm cao của nó.

Các tác giả của nghiên cứu mới nhằm mục đích làm sáng tỏ những gì xảy ra trong quá trình thay đổi nhiệt độ nhanh và tìm ra cách điều khiển cấu trúc bên trong về phía martensite.

Cũng giống như cần có một camera tốc độ cao để nhìn thấy tiếng vỗ cánh của một con chim ruồi, các nhà nghiên cứu cần thiết bị đặc biệt để quan sát những thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc xảy ra trong một phần nghìn giây. Họ đã tìm ra công cụ thích hợp cho công việc nhiễu xạ tia X synchrotron, hay XRD.

Lianyi Chen, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại UW-Madison và đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “ Trong XRD, tia X tương tác với vật liệu và sẽ tạo thành tín hiệu giống như dấu vân tay tương ứng với cấu trúc tinh thể cụ thể của vật liệu.

Tại  Nguồn Photon Tiên tiến  (APS), một nguồn sáng mạnh tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng, các tác giả đã đập các tia X năng lượng cao vào các mẫu thép trong quá trình in. Các tác giả đã vạch ra cấu trúc tinh thể thay đổi như thế nào trong quá trình in, cho thấy các yếu tố nhất định mà họ kiểm soát được, chẳng hạn như thành phần của bột kim loại, đã ảnh hưởng đến quá trình như thế nào.

Mặc dù sắt là thành phần chính của thép 17-4 PH, nhưng thành phần của hợp kim có thể chứa các lượng khác nhau lên đến hàng chục nguyên tố hóa học khác nhau. Các tác giả, hiện đã được trang bị một bức tranh rõ ràng về động lực cấu trúc trong quá trình in ấn như một hướng dẫn, đã có thể tinh chỉnh thành phần của thép để tìm ra một tập hợp các thành phần chỉ bao gồm sắt, niken, đồng, niobi và crom đã tạo ra lừa.

“Kiểm soát thành phần thực sự là chìa khóa cho các hợp kim in 3D. Bằng cách kiểm soát thành phần, chúng tôi có thể kiểm soát cách nó đông đặc lại. Chúng tôi cũng chỉ ra rằng, trong một loạt tốc độ làm mát, chẳng hạn như từ 1.000 đến 10 triệu độ C mỗi giây, các chế phẩm của chúng tôi luôn tạo ra thép 17-4 PH martensitic hoàn toàn,” Zhang cho biết .

Ngoài ra, một số chế phẩm dẫn đến sự hình thành các hạt nano tạo ra độ bền, theo phương pháp truyền thống, thép phải được làm mát và sau đó được nung nóng lại. Nói cách khác, in 3D có thể cho phép các nhà sản xuất bỏ qua một bước đòi hỏi thiết bị đặc biệt, thêm thời gian và chi phí sản xuất.

Thử nghiệm cơ học cho thấy thép in 3D, với cấu trúc martensite và các hạt nano tạo độ bền, phù hợp với độ bền của thép được sản xuất thông qua các phương pháp thông thường.

Nghiên cứu mới cũng có thể tạo ra tiếng vang ngoài thép 17-4 PH. Phương pháp tiếp cận dựa trên XRD không chỉ có thể được sử dụng để tối ưu hóa các hợp kim khác cho in 3D, mà thông tin mà nó tiết lộ có thể hữu ích cho việc xây dựng và thử nghiệm các mô hình máy tính nhằm dự đoán chất lượng của các bộ phận được in.

“17-4 của chúng tôi đáng tin cậy và có thể tái sản xuất, giúp hạ thấp rào cản cho việc sử dụng thương mại. Nếu họ tuân theo thành phần này, các nhà sản xuất sẽ có thể in ra các cấu trúc 17-4 tốt như các bộ phận được sản xuất thông thường,” Chen nói.