Bài viết này thảo luận về những điều cơ bản và các kiểu thiết kế hợp kim, vai trò của sản xuất phụ gia (in 3-D) trong quá trình này và những thách thức liên quan.
Thiết kế hợp kim là gì?
Cụm từ thiết kế hợp kim đề cập đến một phương pháp dựa trên kiến thức để phát triển và thiết kế các vật liệu luyện kim sáng tạo có khả năng đáp ứng về mặt kết cấu. Hàng ngày, các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật vật liệu sử dụng tới 1000 loại hợp kim kim loại khác nhau.
Số lượng các nguyên tố cơ bản thành phần cho hợp kim kim loại đã tăng từ một lên ba hoặc nhiều hơn nhờ sự phát triển nhanh chóng của các tiến bộ công nghệ và các khái niệm để sản xuất vật liệu tinh vi. So với các hợp kim kim loại thông thường dựa trên một hoặc hai phần thiết yếu, hợp kim entropy cao (HEA) thường có 5 hoặc thậm chí nhiều kim loại chính hơn, với mỗi kim loại có tỷ lệ nguyên tử nằm trong khoảng từ 5% đến 35%.
Nhu cầu hiện tại về thiết kế hợp kim
Kim loại nguyên chất hiếm khi được sử dụng trong bất kỳ ngành công nghiệp nào vì chất lượng của chúng không phù hợp hoặc không thích ứng với nhu cầu riêng của sản phẩm. Mặt khác, một phần nhỏ của nguyên tố thứ hai hoặc thứ ba vào kim loại nguyên chất có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể về các đặc tính của hợp kim.
Việc phát triển các hợp kim mới được thực hiện tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng và nó đòi hỏi khả năng thực nghiệm toàn diện, từ lò nung nhiệt độ cao để nấu chảy các thành phần khác nhau đến các cơ sở sau xử lý để định hình lại.
Bởi vì các thay đổi bề mặt có thể thực hiện dễ dàng khi các đặc tính khối lượng lớn không bị suy giảm, các nỗ lực lớn đã được dành cho việc thay đổi bên ngoài của hợp kim thay vì tạo ra các hóa chất hợp kim mới trong vài năm. Vấn đề không chỉ nằm ở việc phát triển một hợp kim mới, mà còn là xác định một nhà cung cấp có khả năng tạo ra một số tổ hợp nhất định trên quy mô lớn. Tuy nhiên, thiết kế hợp kim thông qua sản xuất phụ gia có thể tạo ra tác động lớn, vì nó cho phép phát triển các ngành hóa học mới và sản xuất các thành phần chức năng ở nhiều dạng khác nhau.
Ưu và nhược điểm của sản xuất phụ gia
Một trong những công nghệ chuyển đổi nhất trong thời đại của chúng ta là sản xuất phụ gia (AM), đôi khi được gọi là in 3D. In 3D có thể được sử dụng để xây dựng hình ảnh mô phỏng rất chính xác, đặc biệt hữu ích trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô. Nó có nhiều ứng dụng, tạo ra các thiết bị công nghệ với một loạt các khả năng sinh hóa và các ứng dụng y sinh khác, chẳng hạn như các thiết bị cấy ghép tùy chỉnh.
Mặc dù in 3d là một trong những quy trình nổi tiếng nhất, nhưng nó có một số hạn chế trong việc sử dụng. Năng lực sản xuất thấp và chi phí liên quan là những yếu tố hạn chế đáng kể việc sử dụng AM. Hơn nữa, do những thay đổi trong kỹ thuật sản xuất, hàng hóa in 3D có thể khác về kích thước so với các mẫu CAD.
Phương pháp thiết kế hợp kim sử dụng sản xuất phụ gia
Phương pháp AM cho hợp kim kim loại được phân thành hai loại: công nghệ dựa trên bột kim loại và công nghệ dựa trên dây kim loại, sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau như tia laze, tia điện tử và hồ quang. Hai quy trình kim loại chính – AM, DED và PBF, có thể được sử dụng để thiết kế hợp kim, tuy nhiên có một số khác biệt chính trong phương pháp và nguyên liệu thô đầu vào có thể tiếp cận được.
Vị trí của đầu vào liên quan đến việc in toàn bộ thiết kế là điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hai nhóm chính. DED là một quy trình nạp liệu bằng dây hoặc bột sử dụng nguồn cung cấp khí trơ để dẫn vật liệu bột hoặc dây vào một vùng nóng chảy ở tâm điểm của tia laser.
Mặt khác, PBF sử dụng tia laser hoặc tia laser điện tử để hợp nhất một lớp bột đã được phân tán khắp bề mặt của tấm xây, thường dày từ 30 đến 100 mm. Phương pháp này yêu cầu nguyên liệu đầu vào phải có thành phần hợp kim đơn, hoặc được nguyên tử hóa dưới dạng hợp kim đơn hoặc được pha trộn hoặc hợp kim hóa tại chỗ.
Tiền thân sớm nhất của phương pháp AM dựa trên laser có thể được tìm thấy trong các ấn phẩm có niên đại từ những năm 1970. Các yếu tố xử lý chính ảnh hưởng đến hành vi của vật liệu hợp kim là loại chùm tia, công suất laser, tốc độ quét, phân tách rãnh, độ dày màng và thời lượng xung.
Những thông số này ảnh hưởng đến sự phát triển của bể tan và kết quả là tốc độ đông đặc. Một nguồn năng lượng thường xuyên khác cho AM dạng bột là chùm điện tử.
Chùm tia điện tử ưu tiên hợp nhất các bề mặt bột theo kiểu tương tự với các phương pháp tiếp cận dựa trên laser; tuy nhiên, do đường đi tự do trung bình của các điện tử trong khí bị hạn chế, quá trình nấu chảy chùm điện tử phải được thực hiện trong một buồng kín. Năm 1997, sự nóng chảy của chùm tia điện tử đã được cấp bằng sáng chế. Nếu muốn có thành phần đa nguyên liệu cho AM gốc bột, thì bột thành phần có thể được hợp kim trước hoặc trộn trước với số lượng cần thiết.
Những tiến bộ mới nhất trong ngành
Như đã đề cập, các công bố về hợp kim entropy cao hoặc các chế phẩm của nhiều thành phần chính dẫn đến sự thay đổi mô hình trong cách chúng ta nhìn thấy sự kết hợp kim loại. Sự xuất hiện của hợp kim entropy cao (HEA) đã chứng minh rằng việc bao gồm năm hoặc nhiều nguyên tố với số lượng giống hệt nhau có thể dẫn đến sự kết hợp dung dịch rắn cơ bản.
Điều này mâu thuẫn với kiến thức luyện kim vật lý truyền thống và là rào cản đối với sự phát triển của hợp kim kim loại. Sự ra đời của HEA đã mở ra một cách suy nghĩ mới về việc tạo ra hợp kim mới, trùng với thời gian biểu của sự phát triển của máy in 3d bột laser.
Một phần lớn tài liệu về phụ gia nung chảy ped hạt laze chế tạo hợp kim entropy cao đã bắt đầu xuất hiện. Xu hướng ngày càng tăng là tạo ra các hợp kim có thể kết hợp cơ chế dẻo cảm ứng chuyển tiếp (TRIP) bên cạnh cơ chế dẻo cảm ứng kết đôi (TWIP). Thép TWIP và TRIP được chấp nhận rộng rãi, nhưng HEAs thể hiện tiềm năng phát triển ổn định meta mới.
Những thách thức và viễn cảnh tương lai
Trong khi chi phí lớn phát sinh trong việc sản xuất các hợp kim mới với kim loại – AM sử dụng DED và PBF, những thách thức nhất định vẫn ngăn cản ứng dụng rộng rãi của phương pháp luận này. Khi các doanh nghiệp bắt đầu sử dụng công nghệ AM, các cơ sở sẽ cần phải xử lý thêm máy móc và tồn kho bột / dây, có thể so sánh với công nghệ được sử dụng để sản xuất, để phát triển hợp kim, cũng như thử nghiệm xem chúng phù hợp với quy trình làm việc và mạng tổng thể của sản phẩm như thế nào.
Phải giải quyết sự khác biệt nghiêm trọng giữa vật liệu sinh học AM quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất quy mô đầy đủ và việc kiểm tra các công nghệ hiện tại có thể thường xuyên cung cấp thông tin chi tiết về các vấn đề gặp phải trong thiết kế hợp kim sử dụng AM.
Nói tóm lại, in 3-D đã tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực thiết kế hợp kim, nhưng vẫn cần tập trung nhiều nghiên cứu hơn nữa để góp phần hướng tới hiệu quả chi phí và xử lý nhanh chóng.
(Nguồn: azom.com)
Cảm ơn đã theo dõi hết bài viết!!!
