Οι μεταλλουργοί αντιμετωπίζουν εδώ και καιρό τον σίδηρο στο αλουμίνιο σαν κατάρα. Ένα μικροσκοπικό ίχνος θα μπορούσε να κάνει το πολύτιμο ελαφρύ μέταλλο εύθραυστο, καταδικάζοντάς το σε δομική αδυναμία και διάβρωση.
Η μελέτη για τον σίδηρο
Μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια στην Ιαπωνία έσπασε τώρα αυτόν τον παλιό κανόνα με τη βοήθεια της τρισδιάστατης εκτύπωσης.
«Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Ναγκόγια παραβιάζουν τους συμβατικούς κανόνες για να αναπτύξουν ανθεκτικά στη θερμότητα, ανακυκλώσιμα μεταλλικά κράματα για χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική», αναφέρει ένα δελτίο τύπου του πανεπιστημίου από την Τρίτη.
Είναι ενδιαφέρον ότι η μελέτη δείχνει ότι ο σίδηρος δεν είναι πλέον μολυσματικός παράγοντας αλλά ένα απαραίτητο στοιχείο για την ενίσχυση της αντοχής και της θερμικής αντοχής του κράματος.
Η ομάδα σχεδίασε μια σειρά από ανθεκτικά στη θερμότητα, υψηλής αντοχής κράματα αλουμινίου χρησιμοποιώντας τρισδιάστατη κατασκευή με λέιζερ. Υπερνικά τον παραδοσιακό περιορισμό του αλουμινίου, το οποίο χάνει αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, με μια παραλλαγή να παραμένει ισχυρή και εύκαμπτη στους 300°C.
Ο σχεδιασμός των νέων κραμάτων
Αυτά τα νέα κράματα έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική βιομηχανία, όπως κινητήρες και στροβίλους, όπου τα εξαρτήματα λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες.
Η ανάπτυξη επικεντρώνεται σε μια νέα σειρά κραμάτων αλουμινίου που σπάει εντελώς τις συμβατικές πρακτικές. Σε αυτό, ο σίδηρος συνδυάζεται με μαγγάνιο και τιτάνιο.
«Ο σχεδιασμός επικεντρώνεται στον σίδηρο, τον οποίο οι μεταλλουργοί συνήθως δεν προσθέτουν στο αλουμίνιο επειδή κάνει το μέταλλο εύθραυστο και ευάλωτο στη διάβρωση», δήλωσε ο Naoki Takata, επικεφαλής συγγραφέας και καθηγητής στη Μεταπτυχιακή Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου Nagoya.
Το κλειδί έγκειται στην αξιοποίηση των ακραίων ρυθμών ψύξης που είναι εγγενείς στην τρισδιάστατη εκτύπωση σύντηξης με λέιζερ σε σκόνη - μια διαδικασία στην οποία οι μεταλλικές σκόνες λιώνουν στρώμα προς στρώμα από ένα ισχυρό λέιζερ.
Προκαλεί τη στερεοποίηση του τηγμένου μετάλλου σε δευτερόλεπτα και αυτή η ιλιγγιώδης ταχύτητα είναι κρίσιμη. Επιπλέον, η ταχεία ψύξη «παγιδεύει τον σίδηρο και άλλα στοιχεία σε διατάξεις (σχηματισμός μετασταθών φάσεων) που δεν μπορούν να σχηματιστούν υπό κανονικές συνθήκες κατασκευής», σημείωσε ο Takata.
Αυτό σημαίνει ότι οι δομές που φέρουν σίδηρο και συνήθως προκαλούν αδυναμία εμποδίζονται να σχηματιστούν, επιτρέποντας τον σχηματισμό νέων, ενισχυτικών μικρο- ή νανο-δομών. Μέσω ταχείας ψύξης, η ομάδα δημιούργησε με επιτυχία νέα κράματα που είναι πολύ ισχυρά και αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες.
Καλύτερο μείγμα υλικών
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια συστηματική μέθοδο για να προβλέψουν ποια στοιχεία θα ενίσχυαν το αλουμίνιο και ποια θα σχημάτιζαν προστατευτικές μικρο- και νανοδομές. Αξιοσημείωτο είναι ότι τα καλύτερα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν με ένα κράμα που περιέχει αλουμίνιο, σίδηρο, μαγγάνιο και τιτάνιο (Al-Fe-Mn-Ti).
Δεν επιτυγχάνει μόνο υψηλή αντοχή σε θερμοκρασία δωματίου - ένας κοινός στόχος - αλλά διατηρεί εξαιρετική αντοχή και αξιοσημείωτη ευελιξία ακόμη και στους 300 βαθμούς Κελσίου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία.
Είναι ένα πλήρες πακέτο. Τα νέα υλικά βασίζονται σε στοιχεία χαμηλού κόστους, άφθονα και έχουν σχεδιαστεί για να είναι φιλικά προς την ανακύκλωση, αντιμετωπίζοντας ζητήματα βιωσιμότητας σε μια ενεργοβόρα βιομηχανία. Επιπλέον, τα κράματα αποδείχθηκαν πιο εύκολα στην εκτύπωση από το παραδοσιακό αλουμίνιο υψηλής αντοχής, το οποίο συχνά ραγίζει κατά την κατασκευή.
«Η μέθοδός μας βασίζεται σε καθιερωμένες επιστημονικές αρχές σχετικά με τον τρόπο συμπεριφοράς των στοιχείων κατά την ταχεία στερεοποίηση στην τρισδιάστατη εκτύπωση και είναι εφαρμόσιμη και σε άλλα μέταλλα. Τα κράματα αποδείχθηκαν επίσης ευκολότερα στην τρισδιάστατη εκτύπωση από το συμβατικό αλουμίνιο υψηλής αντοχής, το οποίο συχνά ραγίζει ή παραμορφώνεται κατά την κατασκευή», σημείωσε ο καθηγητής Takata.
Η χρήση στην βιομηχανία
Αυτή η τεχνολογική ανακάλυψη θα μεταμορφώσει τις εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, επιτρέποντας ελαφρύτερες μηχανές αυτοκινήτων και στροβίλους αεροσκαφών που μπορούν να λειτουργούν θερμότερα και για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Τα ελαφρύτερα οχήματα, φυσικά, σημαίνουν λιγότερη κατανάλωση καυσίμου και σημαντική μείωση των εκπομπών.
Ο αεροδιαστημικός τομέας - που απαιτεί συνεχώς υλικά που μπορούν να συνδυάσουν ελαφρύ βάρος με εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα - πρόκειται να κερδίσει πάρα πολύ.
Με λίγα λόγια, η ομάδα πιστεύει ότι η έρευνα παρέχει ένα νέο εγχειρίδιο σχεδιασμού, ένα πλαίσιο για τη δημιουργία νέων κατηγοριών μετάλλων ειδικά για τρισδιάστατη εκτύπωση.
www.worldenergynews.gr
