Mặc dù có các đặc tính hấp dẫn, chẳng hạn như mật độ thấp, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn, hợp kim nhôm được áp dụng chậm hơn trong sản xuất bồi đắp (AM) so với thép, hợp kim titan và siêu hợp kim. Cho đến nay, chỉ có một số lượng hạn chế bột nhôm được bán trên thị trường cho AM phù hợp với môi trường đòi hỏi khắt khe, áp lực cao hoặc nhiệt độ cao.
Tiến sĩ Amir Farkoosh là cộng tác viên nghiên cứu tại Trung tâm Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử (NUCAPT) của Đại học Northwestern và khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của trường. Nghiên cứu hiện tại của ông tập trung vào việc thiết kế các hợp kim nhôm chịu nhiệt tiên tiến và thép cường độ cao để sản xuất bồi đắp bằng cách sử dụng kết hợp các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết.
Trong một bài báo gần đây, Tiến sĩ Farkoosh đã chia sẻ những hiểu biết sâu sắc của mình về việc sử dụng phương pháp chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử 3-D (APT) trong nghiên cứu kim loại AM. Cuộc thảo luận được trích dưới đây.
Sản xuất bồi đắp (AM), hay in 3D, là một công nghệ mới nổi được sử dụng để tạo ra các bộ phận cơ khí 3-D, từng lớp một, sử dụng hình học làm đầu vào duy nhất. Mặc dù chưa hoàn toàn trưởng thành về mặt công nghệ nhưng việc tạo mẫu nhanh bằng AM đã giúp giảm thời gian chu kỳ thiết kế và chi phí phát triển sản xuất. Loại bỏ một số rào cản về thiết kế hợp kim và sản xuất truyền thống, AM có thể tạo ra những hình học phức tạp mà không thể sản xuất theo cách thông thường.
“Mối quan tâm của tôi nằm ở việc khai thác các đặc tính độc đáo của AM để phát triển các hợp kim nhôm có độ bền cao tiên tiến được thiết kế riêng cho AM, với các tính chất cơ lý vượt trội so với các hợp kim nhôm thông thường.” - Tiến sĩ Farkoosh
Tại NUCAPT, Tiến sĩ Farkoosh sử dụng Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử (APT) chủ yếu kết hợp với các kỹ thuật mô tả đặc điểm khác, lý thuyết phân tích và mô phỏng máy tính. Ví dụ, trong trường hợp hợp kim nhôm, các hợp kim này thường được tăng cường bằng các kết tủa nano với thành phần và cấu trúc tinh thể khác nhau. Để làm sáng tỏ động học tạo mầm, tăng trưởng, biến đổi và làm thô của các kết tủa như là một hàm của thời gian và nhiệt độ, ông chủ yếu dựa vào APT 3-D, cung cấp thông tin về cấu trúc và hóa học ở cấp độ cận nano.
AM cho phép tốc độ làm mát cao hơn đáng kể so với các phương pháp sản xuất thông thường, dẫn đến sự phát triển cấu trúc vi mô ở quy mô chiều dài nhỏ hơn đáng kể. Do đó, hợp kim AM đặc biệt phù hợp để kiểm tra bằng APT so với hợp kim được sản xuất thông thường. Trong các vật liệu được sản xuất bồi đắp, hầu hết các đặc điểm cấu trúc vi mô đều có độ lớn nhỏ hơn, một số đặc điểm trong số đó có thể được chụp ảnh trong một mẫu APT duy nhất.
Ví dụ, một bản tái tạo APT duy nhất trong Hình 1 cho thấy bản chất của cấu trúc eutectic đan xen phức tạp với bốn pha khác nhau được hóa rắn trực tiếp từ trạng thái lỏng ở một trong những hợp kim được thiết kế mới của Tiến sĩ Farkoosh [1], vẫn cực kỳ bền ở cả nhiệt độ môi trường và nhiệt độ cao.
Hình 1 (ở trên): (a) Tái tạo 3D-APT hiển thị cấu trúc nano như được in của hợp kim NUAdd cường độ siêu cao chịu nhiệt được sản xuất thông qua quá trình nấu chảy laser chọn lọc (SLM). Hai pha liên kim loại và pha Si được mô tả bằng các bề mặt đẳng nồng với các giá trị nồng độ được chỉ ra trên hình; STM1 biểu thị hỗn hợp các kim loại chuyển tiếp và STM2+REE biểu thị hỗn hợp các kim loại chuyển tiếp và các nguyên tố đất hiếm. ( b ) Bản đồ hình cực nghịch đảo EBSD (IPF) hiển thị cấu trúc hạt của hợp kim được in. Các hạt được gia cố bằng pha eutectic, như thể hiện trong ảnh vi mô SEM ở (c).
Dữ liệu APT lý tưởng để so sánh trực tiếp với mô phỏng và mô hình hóa máy tính nguyên tử để hiểu các cấu trúc vi mô và động lực học của chúng ở quy mô nguyên tử. Do đó, kết quả APT của tôi thường được bổ sung bằng các tính toán lý thuyết hàm mật độ và được tích hợp để xử lý tương quan, cấu trúc vi mô/nano và các đặc tính. Sự tích hợp này tuân theo mô hình cơ bản của khoa học và kỹ thuật vật liệu, đặc biệt tập trung vào mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô/nano và các tính chất vật lý và cơ học.
Lưu ý 1: AR Farkoosh, DN Seidman, “Sản xuất bồi đắp các hợp kim nhôm siêu bền kết tủa cứng cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao và môi trường xung quanh,” Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, báo cáo thường niên (2023).
