پژوهشگران ژاپنی با استفاده از فناوری پرینت سهبعدی موفق به ساخت آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت و قابل بازیافت برای کاربردهای خودروسازی و هوافضا شدهاند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، متالورژیستها همواره حضور آهن در آلومینیوم را چالشی بزرگ میدانستند، چرا که حتی مقادیر اندک آن میتوانست فلز سبک و ارزشمند را شکننده کند و باعث ضعف ساختاری و خوردگی شود. اکنون تیمی از دانشگاه ناگویا، این قانون سنتی را به چالش کشیده است.
نکته جالب آن است که آهن دیگر به عنوان آلاینده محسوب نمیشود، بلکه به عنصری کلیدی برای افزایش استحکام و مقاومت حرارتی آلیاژ تبدیل شده است. این تیم با استفاده از تولید سهبعدی مبتنی بر لیزر، مجموعهای از آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت و با استحکام بالا طراحی کرده است. این آلیاژها محدودیت سنتی آلومینیوم را در کاهش استحکام در دماهای بالا برطرف میکنند. یکی از نمونهها در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۵۷۲ درجه فارنهایت) همچنان استحکام و انعطاف خود را حفظ کرد. آلیاژهای جدید برای کاربرد در صنایع خودروسازی و هوافضا، شامل موتور و توربین طراحی شدهاند، جایی که قطعات تحت دمای بالا کار میکنند.
برای مطالعه بیشتر: آلیاژ فولاد-آلومینیوم با چاپ سهبعدی برای خودرو تولید شد
راز تولید آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت
در حال حاضر تمرکز روی یک سری آلیاژ جدید آلومینیوم است که با آلیاژهای سنتی متفاوت میباشد. در این ترکیب، آهن با منگنز و تیتانیوم ادغام شده است. نائوکی تاکاتا، نویسنده ارشد و استاد دانشگاه ناگویا توضیح داد که طراحی این آلیاژ بر پایه آهن است؛ عنصری که متالورژیستها از افزودن آن به آلومینیوم خودداری میکنند، چرا که باعث شکنندگی و آسیبپذیری در برابر خوردگی میشود. کلید موفقیت در بهرهگیری از سرعتهای بالای سرد شدن در فرایند پرینت سهبعدی لیزری با بستر پودر نهفته است؛ در این روش، پودرهای فلزی لایهبهلایه توسط لیزر قدرتمند ذوب میشوند و فلز مذاب در عرض چند ثانیه جامد میگردد. این سرعت فوقالعاده سریع برای موفقیت فرایند حیاتی است.
حتما بخوانید: نخستین شاسی یک تکه آلومینیومی جهان در چین ساخته شد
تاکاتا تاکید کرد که سرد شدن سریع، آهن و سایر عناصر را در ساختارهایی (تشکیل فازهای ناپایدار) قرار میدهد که در شرایط تولید معمولی شکل نمیگیرند. این موضوع مانع شکلگیری ساختارهای حاوی آهن میشود که معمولا باعث ضعف میشوند و امکان شکلگیری میکرو و نانو ساختارهای تقویتکننده جدید را فراهم میآورد. تیم تحقیقاتی با استفاده از این روش موفق شد آلیاژهایی تولید کند که هم استحکام بسیار بالا دارند و هم مقاومت قابل توجهی در برابر دماهای بالا از خود نشان میدهند.
پژوهشگران یک روش سیستماتیک برای پیشبینی عناصر تقویتکننده آلومینیوم و عناصر ایجادکننده ساختارهای میکرو و نانوی محافظ توسعه دادهاند. به طور قابل توجه، بهترین عملکرد با آلیاژی شامل آلومینیوم، آهن، منگنز و تیتانیوم (Al-Fe-Mn-Ti) حاصل شد. این آلیاژ نه تنها در دمای محیط استحکام بالا ارائه میدهد، بلکه در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد نیز استحکام و انعطاف استثنایی خود را حفظ میکند؛ این نتایج با استفاده از میکروسکوپ الکترونی تایید شد.
بیشتر بخوانید: تولید چرخهای آلومینیومی با ۳۰ درصد فلز بازیافتی + ویدیو
این آلیاژ آلومینیوم مقاوم با استفاده از عناصر کمهزینه و فراوان و با قابلیت بازیافت طراحی شدهاند تا مسائل پایداری را در صنایع پرمصرف انرژی پوشش دهند. همچنین این آلیاژها نسبت به آلومینیومهای سنتی پرقدرت که اغلب در حین تولید دچار ترک یا تابخوردگی میشوند، راحتتر برای چاپ سهبعدی آماده میشوند. این پیشرفت فناورانه امکان تحول در کاربردهایی را فراهم میکند که به دمای بالا نیاز دارد و اجازه میدهد موتورهای سبک خودرو و توربینهای هواپیما در دمای بالاتر و با دوام بیشتر کار کنند. خودروهای سبکتر مصرف سوخت کمتری دارند و انتشار گازهای گلخانهای را کاهش میدهند؛ در حالی که صنعت هوافضا که همواره به دنبال مواد سبک و مقاوم در برابر گرما است، بیشترین بهره را خواهد برد. به طور خلاصه، تیم تحقیقاتی معتقد است که این مطالعه یک چارچوب طراحی جدید برای ایجاد کلاسهای نوین فلزی ویژه چاپ سهبعدی ارائه میدهد.
نتایج این تحقیق در ۱۵ دسامبر در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.
