druk 3D umożliwia łatwe wytwarzanie elementów metalowych o złożonej strukturze i lekkich właściwościach, co stanowi bardzo atrakcyjną opcję dla nowoczesnego, wysokiej klasy sprzętu przyszłości, takiego jak samoloty i statki kosmiczne, w których kluczowe znaczenie ma redukcja masy i integracja konstrukcji. Jednak elementy metalowe wytworzone metodą druku 3D posiadają zazwyczaj poważny defekt — niską odporność na zmęczenie, co oznacza, że są podatne na powstawanie pęknięć zmęczeniowych pod wpływem obciążeń cyklicznych, co poważnie ogranicza ich zastosowanie w kluczowych obszarach. Ostatnio zespół kierowany przez badaczy Zhanga Zhefenga i Zhanga Zhenjuna z Instytutu Badań nad Metalami Chińskiej Akademii Nauk (IMR, CAS) opracował nową technologię obróbki wtórnej stosowaną po druku 3D. Materiał z stopu tytanu uzyskany przy użyciu tej technologii NAMP wykazuje nieosiągalną dotąd odporność na zmęczenie w różnych warunkach współczynnika naprężenia, a jego ogólna wydajność zmęczeniowa przewyższa wszystkie znane materiały metalowe, usuwając tym samym główną barierę hamującą zastosowanie technologii druku 3D w dziedzinach wymagających najwyższej precyzji i najnowocześniejszych rozwiązań. Powiązane wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.
Na początku 2024 roku zespół opracował nową metodę NAMP, która pozwala precyzyjnie kontrolować strukturę wewnętrzną i wady materiałów. Ti-6Al-4V, jeden z najczęściej stosowanych stopów tytanu otrzymany tą metodą, pozwala na całkowite wyeliminowanie zarówno mikroporów, jak i gruboziarnistych struktur mikro – oba te czynniki są głównymi przyczynami zmęczenia materiału. Nowy materiał pobił światowy rekord pod względem „wytrzymałości zmęczeniowej właściwej” w warunkach współczynnika naprężenia „rozciąganie–rozciąganie”.
Jednak rzeczywiste części, takie jak łopatki silników lotniczych i podwozie, są narażone na skrajnie złożone warunki naprężeniowe, obejmujące nie tylko cykle „rozciąganie–rozciąganie”, ale także cykle „rozciąganie–ściskanie”, co oznacza zmienny współczynnik naprężenia. Różne współczynniki naprężenia mogą wywoływać różne mechanizmy uszkodzeń wewnątrz materiału. Mikrostruktury tradycyjnych stopów tytanu często mają ograniczenia – dobrze sprawdzają się jedynie przy określonych, konkretnych współczynnikach naprężenia, lecz mogą osłabiać swoje właściwości przy zmianie tego współczynnika. Sprawia to, że bardzo trudno jest opracować materiał, który dobrze funkcjonowałby we wszystkich warunkach eksploatacyjnych.
Stojąc przed tym bardziej złożonym wyzwaniem, zespół badawczy zidentyfikował kilka słabych ogniw w stopach tytanu, które są podatne na pękanie zmęczeniowe, oraz rodzaje naprężeń, przy których one występują. Wykorzystując proces NAMP, opracowano struktury drukowane w 3D niemal pozbawione porów, pozwalające jednocześnie zoptymalizować wszystkie słabe ogniwa. Ten drukowany w 3D stop tytanu charakteryzuje się zachowaniem wysokiej wytrzymałości na zmęczenie w warunkach pełnego zakresu współczynników naprężenia.
Dane eksperymentalne pokazują, że w testach zmęczeniowych przeprowadzonych przy różnych współczynnikach naprężenia wytrzymałość na zmęczenie tego nowego materiału nie tylko przewyższa wytrzymałość wszystkich stopów tytanu, ale także jego „wytrzymałość zmęczeniowa właściwa” jest ogólnie lepsza niż u wszystkich materiałów metalicznych, ustanawiając nowy rekord świata.
EN