in 3D có thể dễ dàng sản xuất các chi tiết kim loại với cấu trúc phức tạp và đặc tính nhẹ, điều này rất hấp dẫn đối với các thiết bị cao cấp thế hệ mới như máy bay và tàu vũ trụ—những thiết bị luôn theo đuổi mục tiêu giảm trọng lượng và tích hợp cao. Tuy nhiên, các chi tiết kim loại được sản xuất bằng in 3D thường có một nhược điểm nghiêm trọng: khả năng chịu mỏi kém, nghĩa là chúng dễ xuất hiện nứt mỏi dưới tải trọng chu kỳ, từ đó hạn chế nghiêm trọng việc ứng dụng trong các lĩnh vực then chốt. Gần đây, một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học Trương Triết Phong và Trương Chấn Quân thuộc Viện Nghiên cứu Kim loại, Học viện Khoa học Trung Quốc (IMR, CAS) dẫn đầu đã phát triển một công nghệ xử lý sau in 3D mới. Vật liệu hợp kim titan được sản xuất thông qua công nghệ NAMP này thể hiện khả năng chống mỏi chưa từng có ở nhiều điều kiện tỷ số ứng suất khác nhau, với hiệu suất mỏi tổng hợp vượt trội hơn tất cả các vật liệu kim loại đã biết, nhờ đó gỡ bỏ một trở ngại lớn đối với việc ứng dụng công nghệ in 3D trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao và tiên tiến nhất. Kết quả nghiên cứu liên quan đã được đăng trên tạp chí Science Advances.
Vào đầu năm 2024, nhóm nghiên cứu đã phát minh ra một quy trình NAMP mới có khả năng kiểm soát chính xác cấu trúc bên trong và các khuyết tật của vật liệu. Ti-6Al-4V, một trong những hợp kim titan được sử dụng phổ biến nhất, được chế tạo bằng quy trình này, có thể loại bỏ cả các lỗ rỗ vi mô lẫn các cấu trúc vi mô thô—cả hai đều là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng mỏi. Vật liệu mới này đã lập kỷ lục thế giới về "độ bền mỏi riêng" trong điều kiện tỷ số ứng suất "kéo-kéo".
Tuy nhiên, các bộ phận thực tế như cánh tuabin động cơ máy bay và cụm bánh đáp chịu các điều kiện ứng suất cực kỳ phức tạp, bao gồm không chỉ chế độ "kéo-kéo" mà còn cả chế độ "kéo-nén", nghĩa là tỷ số ứng suất thay đổi. Các tỷ số ứng suất khác nhau có thể kích hoạt các cơ chế hư hỏng khác nhau bên trong vật liệu. Cấu trúc vi mô của các hợp kim titan truyền thống thường tồn tại những hạn chế—chúng hoạt động tốt chỉ ở một số tỷ số ứng suất nhất định, nhưng hiệu suất có thể suy giảm khi tỷ số ứng suất thay đổi. Điều này khiến việc chế tạo một loại vật liệu có thể hoạt động ổn định dưới mọi điều kiện làm việc trở nên vô cùng khó khăn.
Đối mặt với thách thức phức tạp hơn này, nhóm nghiên cứu đã xác định được một số điểm yếu trong hợp kim titan dễ bị nứt do mỏi và các dạng ứng suất gây ra hiện tượng đó. Bằng cách sử dụng quy trình NAMP, họ đã sản xuất ra các cấu trúc in 3D gần như không có lỗ rỗng, cho phép tối ưu hóa đồng thời tất cả các điểm yếu này. Hợp kim titan in 3D này sở hữu đặc tính duy trì độ bền mỏi cao trong điều kiện tỷ số ứng suất toàn phần.
Dữ liệu thực nghiệm cho thấy trong các thử nghiệm mỏi dưới các tỷ số ứng suất khác nhau, độ bền mỏi của vật liệu mới này không chỉ vượt trội so với mọi loại hợp kim titan mà còn có "độ bền mỏi riêng" vượt trội toàn diện so với tất cả các vật liệu kim loại, lập nên kỷ lục thế giới mới.
EN