Cấu trúc vi mô của hợp kim AM NTD-Al. (A) phân tích μ-CT cho thấy sự phân bố về không gian và kích thước của các lỗi in ấn; khuyết tật lớn nhất là 73 µm, chỉ bằng khoảng 1/3 kích thước khuyết tật ở hợp kim AM AlSi10Mg không trang trí TiB2. (B) Hình thái hạt của mẫu in. (C) Mạng lưới cấu trúc tế bào đông đặc có đường kính trung bình ~ 500 nm. (D) Cấu trúc tế bào Si 3D liên tục được tiết lộ bằng chụp cắt lớp BSE/FIB. (E) Cấu trúc tế bào bao gồm các pha Si có kích thước nano được hiển thị bằng TEM. Nguồn: Tạp chí Nature Materials .

Kim loại khi trải qua thời gian sử dụng dài hoặc chịu tác động của lực lớn sẽ xuất hiện hiện tượng "mệt mỏi", dẫn đến nứt gãy, tiềm ẩn nguy cơ gây tai họa.

Hiện nay, hơn 80% lỗi kỹ thuật được ước tính xuất phát từ hiện tượng mệt mỏi của vật liệu, làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ của các cấu trúc vật liệu trong cơ khí. Vì vậy, việc tìm ra giải pháp để chống mỏi kim loại là một mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu công nghệ.

Các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Thành phố Hồng Kông và Đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc đã đạt được bước tiến mới khi sử dụng kỹ thuật in 3D tạo ra hợp kim nhôm có khả năng chống mỏi chưa từng có.

Giáo sư Lu Jian, thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: "Hiện tượng mỏi trong kim loại đã được phát hiện cách đây khoảng hai thế kỷ. Kể từ đó, hiện tượng mỏi đã trở thành một trong những vấn đề quan trọng nhất về tuổi thọ và độ tin cậy của tất cả các hệ thống cơ khí động lực.”

Kim loại thông thường thường có độ bền mỏi thấp hơn nhiều so với độ bền kéo.  Hiện tượng mỏi rất dễ xảy ra ở các bộ phận có mặt cắt thay đổi, phát triển theo chu kỳ, tiến tới  hình thành các vết nứt dẫn tới sự phá hủy cấu trúc vật liệu. Không những chỉ sảy ra ở kim loại mà hiện tượng này còn sảy ra ở các vật liệu in 3D.

Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật Laser Powder Bed Fusion (LPBF) để tạo ra một hợp kim nhôm mới bao gồm AlSi10Mg kết hợp với các hạt nano TiB2 (NTD-Al),  có khả năng chống mỏi cao hơn gấp đôi so với các hợp kim nhôm in 3D khác. Một trong những yếu tố quan trọng của thành công này là cấu trúc nano tế bào 3D hai pha với mạng lưới cấu trúc tế bào hóa rắn có đường kính trung bình khoảng 500 nanomet, hoạt động như một lồng nano giúp ngăn chặn sự tích tụ hư hỏng cục bộ,ngăn chặn sự hình thành vết nứt do mỏi.

Hợp kim nhôm này  được sử dụng để chế tạo các cấu trúc nhẹ như cánh quạt động cơ máy bay với độ bền mỏi cao. Điều này mở ra cơ hội để giảm trọng lượng của các bộ phận cơ khí trong các ngành công nghiệp quan trọng. Với sự kết hợp của kỹ thuật in 3D và khả năng chống mỏi mới, các ngành công nghiệp có thể thiết kế những cấu trúc nhẹ hơn và giảm lượng khí thải carbon.

Kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials.