Titan và các hợp kim từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ đặc tính nổi bật về tỷ lệ bền trên trọng lượng, khả năng chống ăn mòn cao và độ tương thích sinh học. Từ khung máy bay, bộ phận động cơ phản lực cho đến khớp háng, trụ răng nhân tạo, thân tàu hay gậy đánh golf - hợp kim titan có mặt ở khắp nơi nhờ những ưu điểm đó.
Titan và các hợp kim từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp (nguồn: Unsplash).
Theo Ryan Brooke - đồng tác giả của nghiên cứu, tiềm năng của in 3D vẫn chưa được khai thác đúng mức. Mặc dù in 3D mở ra khả năng sản xuất nhanh hơn, ít lãng phí hơn và dễ tùy biến theo yêu cầu, ngành vật liệu vẫn đang phụ thuộc quá nhiều vào những hợp kim cổ điển như Ti-6Al-4V - hợp kim phổ biến được tạo thành từ nhôm và vanadi, có độ bền cao, chịu mỏi tốt và đã được tiêu chuẩn hóa trong ngành hàng không và y sinh. Nhưng khi được in 3D, hợp kim này lại thường hình thành cấu trúc hạt cột - khiến tính chất cơ học của vật liệu không đồng đều theo các hướng khác nhau. Điều này làm hạn chế khả năng sử dụng hoặc buộc phải thêm các nguyên tố khác để điều chỉnh lại cấu trúc.
Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã phát triển phương pháp mới có thể dự đoán chính xác cấu trúc hạt trong quá trình in 3D, từ đó hỗ trợ thiết kế ra những hợp kim mới tối ưu hơn. Nhóm tập trung vào việc xác định các yếu tố có thể tiên đoán khả năng hình thành cấu trúc hạt tinh thể khi kim loại được làm nguội trong điều kiện phi cân bằng - điều đặc trưng của công nghệ in 3D kim loại.
Mẫu vật liệu được nhóm nghiên cứu phát triển (nguồn: RMIT).
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 - khoảng nhiệt độ mà vật liệu chuyển từ dạng lỏng sang rắn dưới điều kiện không ổn định. Tiếp theo là hệ số giới hạn tăng trưởng - tốc độ hình thành siêu nguội hóa học ngay khi quá trình kết tinh bắt đầu. Cuối cùng là thông số siêu nguội hóa học - khả năng hình thành và phát triển các hạt tinh thể mới xuyên suốt quá trình kết tinh chứ không chỉ ở giai đoạn khởi đầu.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, thông số siêu nguội hóa học là yếu tố đáng tin cậy nhất trong việc dự đoán và điều chỉnh cấu trúc hạt. Đây là yếu tố then chốt giúp các nhà khoa học lựa chọn nguyên tố hợp kim phù hợp, từ đó thiết kế ra vật liệu có độ bền và độ dẻo mong muốn. Phương pháp này còn có ưu điểm là kết hợp dữ liệu thực nghiệm với công cụ tính toán, nhờ đó rút ngắn được thời gian nghiên cứu, giảm số lần thử nghiệm và tiết kiệm chi phí đáng kể trong quá trình phát triển hợp kim in 3D.
Mặc dù nhóm chưa tiết lộ công thức cụ thể của loại hợp kim mới do đang trong quá trình bảo hộ và thương mại hóa, nhưng họ cho biết, hợp kim titan mà nhóm phát triển có chi phí sản xuất thấp hơn 29% so với các hợp kim thông thường. Không những vậy, hợp kim này còn có cấu trúc hạt đồng nhất, độ bền cơ học cao hơn, trong khi vẫn đảm bảo độ dẻo - điều hiếm thấy ở các hợp kim in 3D trước đây. Nếu được ứng dụng rộng rãi, hợp kim titan thế hệ mới này có thể mở ra cơ hội mới trong các lĩnh vực như hàng không, y tế, công nghiệp chế tạo chính xác… không chỉ vì hiệu suất vật liệu được cải thiện mà còn nhờ khả năng giảm chi phí sản xuất và bảo trì linh kiện kỹ thuật cao.
TXB