علماء هونج كونج يطورون طباعة مصغرة ثلاثية الأبعاد لإنشاء سبائك تيتانيوم فائقة القوة

استخدمت دراسة أجراها علماء في جامعة سيتي في هونغ كونغ التصنيع الإضافي (يشار إليه عادة بالطباعة ثلاثية الأبعاد) لتطوير سبيكة فائقة القوة وعالية الليونة وخفيفة الوزن تعتمد على التيتانيوم بنجاح. لقد فتح اكتشافهم طريقة جديدة لتصميم السبائك ذات الهياكل والخصائص غير المسبوقة لمختلف التطبيقات الهيكلية.

الطباعة ثلاثية الأبعاد: أكثر من مجرد تقنية قولبة

يعتقد معظم الناس أن الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية ثورية يمكنها إنتاج أجزاء آلة معقدة الشكل في خطوة واحدة. "ومع ذلك، فقد كشفنا عن إمكاناتها المهمة في تصميم المواد، بدلاً من مجرد تصميم الأشكال الهندسية. ويميل علماء المعادن إلى الاعتقاد بأن عدم التماثل في تكوين السبائك أمر غير مرغوب فيه لأنه يمكن أن يؤدي إلى خصائص غير مرغوب فيها مثل الهشاشة. في عملية التصنيع المضافة تعد كيفية التخلص من التفاوت في عملية التبريد السريعة إحدى المشكلات الرئيسية.

تصميم بنية مجهرية فريدة من نوعها

وأوضح الدكتور تشانغ، وهو أيضًا المؤلف الأول لهذه الورقة: "إن الخصائص الفريدة للتصنيع الإضافي توفر لنا قدرًا أكبر من الحرية في تصميم الهياكل المجهرية". "على وجه التحديد، قمنا بتطوير طريقة تجانس جزئي تستخدم تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج سبائك ذات تدرجات تركيز على مستوى ميكرون، والتي لا يمكن تحقيقها بأي طريقة تقليدية لتصنيع المواد."

تتضمن الطريقة التي اقترحوها استخدام شعاع ليزر مركّز لإذابة وخلط مساحيق مختلفة من السبائك ومساحيق الفولاذ المقاوم للصدأ. ومن خلال التحكم في المعلمات مثل قوة الليزر وسرعة المسح أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، نجح الفريق في إنشاء تركيبة غير موحدة للعناصر في السبيكة الجديدة بطريقة يمكن التحكم فيها.

(خريطة اتجاه الحبوب المطبوعة ثلاثية الأبعاد لسبائك التيتانيوم)

وقال البروفيسور ليو: بالإضافة إلى استخدام التصنيع الإضافي، فإن تركيبة خليطي المسحوق هي مفتاح آخر لإنشاء بنية مجهرية غير مسبوقة عالية الثبات تشبه الحمم البركانية في السبيكة الجديدة. توفر هذه الهياكل المجهرية الفريدة أعلى الخصائص الميكانيكية، مما يجعل السبيكة قوية للغاية وخفيفة الوزن. أظهرت النتائج التجريبية أن سبيكة التيتانيوم الجديدة تتمتع بخصائص ميكانيكية ممتازة.

سبيكة جديدة: أخف وزنًا بنسبة 40%، وقوة فائقة

بشكل عام، تبلغ كتلة الفولاذ المقاوم للصدأ 7.9 جرامًا لكل سنتيمتر مكعب، بينما تبلغ كتلة السبيكة الجديدة 4.5 جرامًا فقط لكل سنتيمتر مكعب، وهو أخف بنسبة 40٪ تقريبًا. في تجاربهم، أظهرت سبيكة التيتانيوم ذات البنية الشبيهة بالحمم البركانية قوة شد عالية تصل إلى 1.3 جيجا باسكال تقريبًا، مع استطالة موحدة تبلغ حوالي 9٪. كما أنها تتمتع بقدرة ممتازة على تصلب العمل بأكثر من 300 ميجا باسكال، مما يضمن هامش أمان كبير قبل الكسر، وهو أمر مفيد جدًا في التطبيقات الهيكلية.

تتمتع هذه الخصائص الممتازة بآفاق تطبيق هيكلية جيدة في مواقف مختلفة، مثل صناعات الطيران والسيارات والكيماويات والطبية. باعتبارنا أول فريق يستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتطوير سبيكة جديدة ذات بنية مجهرية وخصائص فريدة من نوعها، سنواصل تطبيق مفهوم التصميم هذا على أنظمة السبائك المختلفة ونواصل استكشاف الخصائص الأخرى للسبائك الجديدة.