Hợp kim titan in 3D thế hệ mới

Nhóm nghiên cứu tại Đại học RMIT (Úc) đã công bố chế tạo thành công loại hợp kim titan in 3D có giá thành thấp hơn gần 30% so với loại truyền thống, nhưng lại đạt độ bền vượt trội và tính dẻo tốt là yếu tố vốn khó dung hòa trong công nghệ in kim loại.

Công nghệ in 3D kim loại, đặc biệt với hợp kim titan, từ lâu đã được xem là bước tiến quan trọng trong sản xuất vật liệu hiệu suất cao. Tuy nhiên, các hợp kim titan truyền thống như Ti-6Al-4V với độ bền cao, khả năng chống ăn mòn cao và tính tương thích sinh học, khi in 3D lại thường hình thành cấu trúc hạt cột, khiến tính chất cơ học không đồng nhất theo các hướng, từ đó hạn chế phạm vi ứng dụng và cần các biện pháp bổ sung để khắc phục.

Nhằm giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp thiết kế hợp kim mới, cho phép dự đoán và kiểm soát cấu trúc hạt ngay trong quá trình in 3D. Kết quả là sự ra đời của một loại hợp kim titan thế hệ mới vừa duy trì được độ dẻo hiếm có, vừa đạt độ bền cơ học vượt trội, đồng thời giảm tới gần 30% chi phí sản xuất so với các hợp kim thông thường.

Theo nhóm nghiên cứu, có 3 tham số chính ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của hợp kim. Đầu tiên là khoảng nhiệt độ kết tinh phi cân bằng, giai đoạn chuyển pha từ lỏng sang rắn trong điều kiện không ổn định; tiếp theo là hệ số giới hạn tăng trưởng, tốc độ hình thành trạng thái siêu nguội hóa học khi quá trình kết tinh bắt đầu; cuối cùng là thông số siêu nguội hóa học, khả năng hình thành và phát triển hạt tinh thể mới trong suốt quá trình kết tinh. Trong số này, thông số siêu nguội hóa học được xác định là chỉ số đáng tin cậy nhất để dự đoán và điều chỉnh cấu trúc hạt, giúp các nhà khoa học lựa chọn thành phần hợp kim tối ưu.

Bằng cách kết hợp dữ liệu thực nghiệm với mô hình tính toán, nhóm nghiên cứu đã rút ngắn đáng kể thời gian phát triển, giảm số lần thử nghiệm và tiết kiệm chi phí trong quá trình tạo ra hợp kim mới. Dù công thức chi tiết của hợp kim chưa được công bố do đang trong giai đoạn bảo hộ và thương mại hóa, kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu này có cấu trúc hạt đồng nhất, độ bền cao, khả năng gia công chính xác và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong hàng không, y tế, chế tạo linh kiện kỹ thuật cao cùng nhiều lĩnh vực công nghiệp tiên tiến khác.

Nguồn: Nature