Phương pháp kỹ thuật mới, sử dụng in 3D chế tạo siêu hợp kim tùy chỉnh

Một nhóm các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames, Đại học Bang Iowa và Tập đoàn Bruker của Mỹ, sử dụng máy in 3D chế tạo được một hợp kim kim loại hiệu suất cao, được gọi là siêu hợp kim với những thành phần khác thường giúp vật liệu bền và nhẹ hơn những vật liệu tiên tiến, hiện đang được sử dụng trong các động cơ tuabin khí.

Phát minh sáng tạo này có thể có tác động rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất năng lượng, ngành hàng không vũ trụ và phương tiện giao thông trên bộ và trên biển, đồng thời mở đường cho sự phát triển một loại hợp kim in 3D mới chưa được khám phá.

Nhà khoa học Andrew Kustas của Sandia cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh được, vật liệu này có thể đạt được sự kết hợp không thể đạt được trước đây với tiêu chí độ bền cao, trọng lượng thấp và khả năng phục hồi nhiệt độ cao. Chúng tôi cho rằng, một trong những nguyên nhân khiến thử nghiệm đạt được kết quả ấn tượng này là nhờ phương pháp sản xuất phụ gia (phương pháp in 3D).”

Các nhà máy điện hạt nhân và nhiên liệu hóa thạch đều sử dụng nhiệt năng để quay tua-bin tạo ra điện. Nhưng hiệu quả của nhà máy điện bị giới hạn bởi cấp độ nhiệt của những bộ phận tuabin kim loại.

Nếu các tuabin có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, sẽ có nhiều năng lượng hơn được chuyển đổi thành điện năng đồng thời giảm lượng nhiệt thải ra môi trường.

Siêu hợp kim mới có tỷ lệ thành phần 42% nhôm, 25% titan, 13% niobi, 8% zirconium, 8% molypden và 4% tantali có độ bền cao hơn ở 800°C so với nhiều hợp kim hiệu suất cao khác, kể cả những hợp kim hiện đang được sử dụng trong các bộ phận của tuabin, bền và dẻo dai hơn khi vật liệu nguội đi, trở lại nhiệt độ phòng.

Sal Rodriguez, một kỹ sư hạt nhân của Sandia, không tham gia nghiên cứu cho biết: “Đây là một giải pháp tất cả cùng có lợi, tiết kiệm năng lượng hơn và không tác động vào môi trường.

Các nhà nghiên cứu hàng không vũ trụ, tìm kiếm những vật liệu bền, nhẹ ở nhiệt độ cao cũng có thể thu được lợi ích từ siêu hợp kim này.

In 3D đã được sử dụng rộng rãi như một phương pháp sản xuất linh hoạt và tiết kiệm năng lượng. Công nghệ sử dụng tia laser công suất cao làm nóng chảy vật liệu, thường là nhựa hoặc kim loại, sau đó các vật liệu thành phần lắng đọng lại thành từng lớp, tạo nên một vật thể hợp kim khi vật liệu nóng chảy nhanh chóng nguội đi và đông đặc lại.

Các nhà nghiên cứu sử dụng lại công nghệ này như một phương pháp sản xuất nhanh chóng, hiệu quả chế tạo hợp kim mới bằng phương thức sử dụng máy in 3D nấu chảy các kim loại dạng bột và sau đó lập tức sử dụng công nghệ in 3D lập trình một mẫu sản phẩm.

Kusta cho biết: “Chúng tôi có rất nhiều thử nghiệm, kết hợp 2 hoặc 3 nguyên tố để tạo ra một hợp kim kỹ thuật hữu ích. Hiện nay, chúng tôi đang bắt đầu đi sâu nghiên cứu, sử dụng 4 hoặc 5 hoặc nhiều hơn nữa trong một vật liệu duy nhất. Khi đó vật liệu thực sự bắt đầu trở nên thú vị và đầy thách thức từ góc độ khoa học vật liệu và luyện kim.”

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu quan tâm đến khả năng khám phá vật liệu của những mô hình Trí tuệ Nhân tạo (AI) tiên tiến, trên cơ sở mô phỏng và tính toán có thể hỗ trợ các nhà khoa học khám phá thêm những thành viên của lớp vật liệu siêu hợp kim hiệu suất cao, được sản xuất bằng phương pháp in 3D.

Nhà khoa học Michael Chandross của Sandia, không trực tiếp tham gia nghiên cứu cho biết: “Đây là những hỗn hợp cực kỳ phức tạp. Tất cả những kim loại này tương tác lẫn nhau ở cấp độ vi mô, thậm chí là tương tác nguyên tử. Những tương tác cấp vi mô và nguyên tử đó thực sự quyết định độ bền, độ dẻo, điểm nóng chảy của hợp kim, v.v. và những vật liệu siêu hợp kim này có thể được chế tạo tức khắc từ nguyên liệu thô ra sản phẩm, không trải qua các quy trình luyện kim và cắt gọt kim loại, tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu.”

“Mô hình của chúng tôi loại bỏ rất nhiều phỏng đoán trong quá trình luyện kim vì có thể tính toán tất cả những yêu cầu kỹ thuật, cho phép dự đoán hiệu suất của vật liệu mới trước khi chế tạo thành phẩm.”

Theo E&T