Novi način miješanja legura laserom

Poput modernih alkemičara, metalurzi neprestano otkrivaju i usavršavaju recepte za bolje legure. Ključni korak u tim receptima je postići ravnomjerno miješanje različitih metala.

Otkrivajući novi pribor za metaluršku kuhinju, istraživači američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) izumili su način miješanja metala laserom dok se on ispisuje 3D-printerom, otvarajući novi put za stvaranje teško izradivih metalnih legura. Kako bi provjerili svoj uspjeh, razvili su i način promatranja promjena u metalu pomoću rendgenskih zraka dok se tale i krute u djeliću sekunde.

Tijekom posljednjih 20 godina, istraživači su započeli razvoj nove klase legura nazvanih "legure visoke entropije" (HEA). Na atomskoj razini, HEA imaju neobičan raspored, što može poboljšati njihove performanse na visokim temperaturama. HEA mogu biti idealne za primjene kojima je potrebno da materijal ostane čvrst na visokim temperaturama, poput mlaznih motora ili nuklearnih reaktora. Ali ih je i teže napraviti.

Tradicionalne legure uglavnom se izrađuju od samo jednog osnovnog metala s malim količinama dodanih drugih elemenata. Osnovni čelik, na primjer, gotovo je u potpunosti željezo s malim količinama ugljika. Dodavanje drugih elemenata poput nikla ili kroma može učiniti čelik jačim ili otpornijim na koroziju.

HEA-ovi prekidaju taj obrazac, sadrže više metala u boljim omjerima od tradicionalnih legura. Dakle, HEA može biti sastavljen od 20% svakog od pet različitih metala.

Različiti metali imaju različite gustoće, točke taljenja, površinsku napetost i druga svojstva koja uzrokuju njihovo odvajanje u mrlje dok se rastaljeni metal hladi. Poput ulja i vode, komponente legure prirodno se nastoje odvojiti u mozaik različitih područja što oslabljuje metal u cjelini.

Najčešća vrsta 3D ispisa metala naziva se laserska fuzija u sloju praha. U ovom procesu, snažan laser iscrtava uzorak na sloju finog metalnog praha. Dok laser prolazi, na djelić sekunde metalni prah se topi u sićušnu lokvicu, manju od oka bubamare.

Unutar te lokvice, različiti elementarni metali će se malo pomiješati zbog topline, ali ne dovoljno za osjetljivu leguru poput HEA. Stoga je istraživač NIST-a Ho Yeung počeo tražiti novi način aktivnog miješanja metala dok ga ispisuju. 

Njihovo rješenje bilo je relativno jednostavno. Umjesto da laser prati ravne linije, Yeung i njegov tim usmjerili su laser da crta petlje dok se kreće, miješajući metal dok se topio.

Kako bi dokazali da njihova metoda funkcionira, istraživači su je podvrgli zahtjevnom testu kombinirajući dva metala koja je inače izuzetno teško pomiješati, gustu leguru visoke entropije nazvanu RHEA-19 i laganu leguru titana. Metale su slagali jedan do drugoga, a zatim su laserskim snopom prelazili preko ruba slojeva. Zatim su provjerili jesu li se metali učinkovito spojili u novu leguru.

Da bi to učinili, morali su ispitati atomsku strukturu metala u stvarnom vremenu dok se hladio iz rastaljene tekućine u čvrsti metal. Ovo je izuzetno izazovno mjerenje jer su metali gusti i skrućivanje se događa za manje od sekunde. NIST timu je bio potreban snažan rendgenski uređaj.

Surađivali su s Advanced Photon Source (APS) u Nacionalnom laboratoriju Argonne (naslovna slika) u blizini Chicaga. APS je stroj u obliku prstena veći od nogometnog stadiona koji stvara nevjerojatno svijetle rendgenske zrake. Te zrake su otprilike 500 milijardi puta svjetlije od rendgenskih zraka koje se koriste u stomatološkoj ordinaciji.

Dok je rendgenski snop iz APS-a prolazio kroz metal, atomi metala odbijali su rendgenske fotone, stvarajući prepoznatljiv uzorak na drugoj strani. Taj se uzorak zatim mogao dekodirati kako bi se vidjelo kako su atomi raspoređeni i promatrati kako se mijenjaju u stvarnom vremenu. Istraživači su također koristili elektronske mikroskope za ispitivanje konačnog proizvoda nakon što je potpuno stvrdnuo.

Nakon korištenja ovih naprednih metoda mjerenja, istraživači su dokazali da njihova laserska metlica radi, otvarajući vrata za učinkovitiji ispis ovih legura.

Jedan od najizazovnijih dijelova ovog istraživanja bio je razvoj načina da se vidi što se događa unutar metala na atomskoj razini dok se hladi. Za ovaj istraživački projekt, NIST je pionirski pronašao način da se upravo to učini pomoću rendgenske difrakcije, metode u kojoj se rendgenske zrake propuštaju kroz metal, odbijajući se od nekih atoma. Zatim se rendgenski uzorci s druge strane analiziraju kako bi se utvrdilo kako su atomi raspoređeni.

U budućnosti bi se ova tehnika mogla koristiti i za trenutno stvaranje drugih legura, ne samo HEA-ova. To bi moglo smanjiti troškove i stvoriti veću fleksibilnost za 3D ispis metala.