Hợp kim Titan Ti{0}}Al{1}}V: Các tính năng cơ bản
Nhôm 5,5–6,75%, vanadi 3,5–4,5% và các nguyên tố vi lượng như sắt, cacbon, nitơ, oxy và hydro bao gồm các thành phần hóa học chính của hợp kim titan Ti-6Al-4V. Mật độ của nó là 4,44g/cm³; phạm vi nhiệt độ nóng chảy là 1630–1650 độ. Với phạm vi lần lượt là 825–895 MPa và 895–1180 MPa, hợp kim titan này cho thấy độ giãn dài tốt (10–15%) và độ co rút theo mặt cắt ngang (25–35%). Độ bền kéo và sức mạnh năng suất của nó là vượt trội.
Hợp kim titan Ti{0}}Al-4V có tính dẫn nhiệt kém, hoạt động hóa học mạnh, độ cứng gia công cao, tạo ra tốc độ cắt thấp và tuổi thọ dụng cụ ngắn, do đó độ khó gia công của hợp kim này là rất đáng kể. Tuy nhiên, các kỹ thuật xử lý nhiệt bao gồm ủ, xử lý dung dịch và xử lý lão hóa có thể giúp tối đa hóa chất lượng cơ học của nó. Hơn nữa, phù hợp cho ứng dụng trong lĩnh vực hàng hải và hóa học, hợp kim này cho thấy khả năng chống ăn mòn cao trong các điều kiện đòi hỏi khắt khe bao gồm oxy hóa, khử, axit mạnh và kiềm mạnh.
Ứng dụng công nghệ in 3D kim loại hàng không vũ trụ
Là một kỹ thuật sản xuất bồi đắp phức tạp, công nghệ in 3D kim loại có thể cung cấp khả năng đúc tích hợp các bộ phận có hình dạng phức tạp trong ngành hàng không vũ trụ, do đó nâng cao độ chính xác và chất lượng sản xuất. Ứng dụng tuyệt vời của hợp kim titan Ti{1}}Al{2}}V đã khiến nó trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất để in 3D kim loại.
Các thiết bị hàng không vũ trụ bao gồm vỏ hình nón của cabin điện, vỏ hình trụ của cabin điều khiển điện của tên lửa và vỏ đuôi có hình dạng phức tạp và cấu trúc phân tán bao gồm các phần nhô ra, gân, cửa sổ, v.v. Trong khi công nghệ in 3D có thể dễ dàng thực hiện việc đúc tích hợp các thiết bị. Những cấu trúc phức tạp này và việc đảm bảo độ chính xác cũng như chất lượng của các bộ phận, các kỹ thuật sản xuất truyền thống rất khó đạt được. Ví dụ, Công ty Công nghệ Platinum đã sản xuất các bộ phận vỏ này cho dòng tên lửa "txi", đáp ứng các tiêu chí, có khả năng kiểm soát biến dạng chung mạnh mẽ, kích thước và tính chất cơ học ổn định cũng như tính toàn vẹn cơ học.
Linh kiện động cơ: Đặc biệt đối với các bộ phận quan trọng như kim phun nhiên liệu, bơm tua-bin và buồng đốt, có cấu trúc phức tạp và yêu cầu chặt chẽ về hiệu suất vật liệu cũng như độ chính xác chế tạo, việc sản xuất động cơ tên lửa đòi hỏi tiêu chí kỹ thuật rất cao. Có thể đúc tích hợp các kết cấu phức tạp bằng công nghệ in 3D, do đó nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của động cơ.
Các bộ phận kết cấu của cánh: Tuy có kết cấu phức tạp nhưng cánh máy bay phải có độ bền lớn và trọng lượng nhẹ. Các cấu trúc bên trong phức tạp bao gồm dầm cánh và gân có thể được sản xuất thông qua công nghệ in 3D kim loại cho các bộ phận của cánh. Giảm trọng lượng bằng thiết kế kết cấu giúp cải thiện đồng thời độ bền và độ cứng của cánh.
cánh cho động cơ: Môi trường hoạt động khắc nghiệt của cánh động cơ máy bay đòi hỏi vật liệu phải có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống mài mòn. Các cánh động cơ với hình dạng và cấu trúc bên trong độc đáo, bao gồm các cánh có kênh làm mát, có thể tăng hiệu quả làm mát của các cánh và kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng, có thể được sản xuất bằng công nghệ in 3D kim loại.
Các vấn đề và biện pháp khắc phục khi in 3D kim loại hợp kim titan Ti{0}}Al{1}}V
Hợp kim titan Ti{0}}Al{1}}V vẫn gặp một số khó khăn nhất định ngay cả khi nó mang lại một số lợi ích cho việc in 3D kim loại. Các thành phần được sản xuất bằng chất phụ gia Ti-6Al-4V điển hình có đặc tính kéo dị hướng với các hạt Prior - dạng cột thô. Vì vậy, việc tăng đặc tính kéo của hạt đẳng trục đã trở thành một chủ đề nghiên cứu chính.
Để tinh chế các hạt Prior - của các thành phần Ti{1}}Al{2}}V trong quá trình lắng đọng năng lượng định hướng bằng laser (LDED), Viện Hàn lâm Khoa học và Kỹ thuật Hàn Quốc đã đề xuất kỹ thuật sản xuất bồi đắp xung có sự hỗ trợ của laser (PLAAM). Sử dụng sóng xung kích được tạo ra bằng tia laser, hiện tượng xâm thực và dòng Marangoni được tăng tốc để tạo ra các cấu trúc hạt trước cân bằng mịn, phương pháp này kết hợp laser xung nano giây với hệ thống LDED để cung cấp năng lượng xung cao cho bể tan chảy, do đó mang lại môi trường thuận lợi. Với số lượng hạt Prior - trên một đơn vị diện tích gấp 3,78 lần so với các mẫu sản xuất bồi đắp thông thường, nghiên cứu đã chứng minh các mẫu PLAAM hiển thị các hạt Prior - mịn hơn và cân bằng hơn trên toàn bộ chiều cao xây dựng là 30mm.
tối ưu hóa thành phần sản xuất bồi đắp và đánh giá hiệu suất
Các thành phần được sản xuất phụ gia phải đáp ứng các yêu cầu của ngành hàng không vũ trụ nếu chúng được sử dụng trong lĩnh vực này. Dưới sự hợp tác với Rolls Royce, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore đã đánh giá hiệu suất của các mẫu Ti{0}}Al-4V được sản xuất và chế tạo bằng cách sử dụng phương pháp sản xuất bồi đắp bằng phương pháp nung chảy bột bột bằng laze (L-PBF). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các mẫu Ti-6Al-4V được tạo ra bằng phương pháp sản xuất bồi đắp L-PBF được xử lý bằng phương pháp sản xuất hàng không (MoM) có tuổi thọ mỏi tốt hơn so với các mẫu được sản xuất từ quá trình chế tạo. Ngoài ra, kỹ thuật đánh bóng rung làm tăng độ mịn bề mặt và tuổi thọ mỏi trong khi vẫn duy trì ứng suất dư nén có lợi khi mài bắn.
Nghiên cứu cũng lưu ý rằng việc đánh bóng bề mặt có thể nâng cao tuổi thọ mỏi của các bộ phận được gia công và mài bắn tới 50%. Việc kéo dài tuổi thọ của các bộ phận và tránh hư hỏng phụ thuộc nhiều vào các phương pháp xử lý bề mặt bao gồm mài mòn và đánh bóng rung. Bắn mài tạo ra ứng suất nén bằng cách tạo ra biến dạng dẻo của vật liệu và cải thiện cấu trúc hạt bề mặt và dưới bề mặt, do đó cải thiện hiệu suất mỏi. Tuy nhiên, việc bắn mài có thể gây ra các biến thể và độ nhám bề mặt quá mức; vì vậy, độ nhám bề mặt cần thiết đòi hỏi phải đánh bóng lần cuối. Đánh bóng rung là một kỹ thuật đánh bóng hàng loạt, trong đó vật liệu được loại bỏ đồng đều khỏi bề mặt với tốc độ quy định và tạo ra kết cấu mịn, do đó làm giảm độ nhám bề mặt trong khi vẫn duy trì ứng suất nén và sàng lọc hạt cả trên bề mặt và bên dưới.
https://www.china-3dprinting.com/metal-3d-printing/metal-3d-printed-tablet-stand.html