Czy „drukowane” elementy lotnicze ze stopów tytanu mogą już niedługo stanowić tańszą alternatywę dla tych wytwarzanych tradycyjnie? Odpowiedzi na to pytanie szukała studentka Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej.
Mgr inż. Izabela Mierzejewska połączyła wytwarzanie elementów lotniczych z techniką przyrostową LENS (Laser Engineered Net Shaping). To metoda, dzięki której za pomocą wiązki laserowej o wysokiej mocy oraz proszku z wybranego materiału, np. stali, stopów niklu czy tytanu, już dziś można nie tylko wytwarzać, ale także naprawiać metalowe części maszyn i urządzeń. Polega ona na podawaniu proszku bezpośrednio w strefę działania wiązki laserowej i fizycznym odtwarzaniu modelu cyfrowego wykonanego w programie CAD lub za pomocą skanera 3D.
Punkt po punkcie, linia po linii, warstwa po warstwie laser przetapia proszek, kształtując docelowy element. W ten sposób przygotowałam do badań cylindryczne próbki ze stopu tytanu Ti-5553. Jest on dużo lżejszy od stali, a jednocześnie posiada dużo większą wytrzymałość w stosunku do stopów aluminium i magnezu. Pomimo że jest dość nowy, to spełnia większość wymagań narzucanych przez przemysł lotniczy – w szczególności tych dotyczących odporności na korozję, wytrzymałości zmęczeniowej oraz relatywnie wysokiej sztywności właściwej – opisuje innowatorka z WAT.
Dodaje zarazem, że jednofazowy (na bazie fazy β), metastabilny stop tytanu Ti-5553, należy do materiałów trudnoobrabialnych. To generuje wysokie koszty produkcji, m.in. związane z krótkim okresem trwałości narzędzi skrawających oraz wydłużonym czasem trwania procesu obróbki ubytkowej związanym z koniecznością stosowania niskiej prędkości skrawania.
Między innymi z tego powodu zainteresowałam się technikami przyrostowymi, które umożliwiają wytwarzanie części maszyn i urządzeń o określonej geometrii wymagających tylko obróbki wykańczającej – tłumaczy Izabela Mierzejewska.
W swojej pracy dyplomowej skoncentrowała się na ocenie wpływu czasu trwania przerwy pomiędzy nanoszeniem kolejnych warstw na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne wytwarzanego stopu. Poprzez ich zróżnicowanie próbki przez nią przygotowane były kształtowane w krańcowo różnych warunkach cieplnych. W ten sposób sprawdziła wpływ ilości dostarczonego ciepła w jednostce czasu na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne otrzymanych próbek, testowanych m.in. w statycznej próbie rozciągania oraz badaniach twardości.
Są to standardowe testy określające właściwości mechaniczne. Ponadto w celu zwiększenia wytrzymałości wytworzonych elementów testowych zastosowałam dodatkową obróbkę cieplną w temperaturze 300, 700 i 750 stopni Celsjusza w czasie jednej godziny i osłonie gazu ochronnego, a następnie, podobnie jak w przypadku próbek referencyjnych (bezpośrednio po procesie LENS), przeprowadziłam analizę strukturalną oraz zestawiłam otrzymane właściwości mechaniczne dla wszystkich badanych wariantów technologicznych. Najciekawsze jest to, że finalnie, próbki bez obróbki cieplnej okazały się tymi, które charakteryzują się najlepszymi parametrami materiałowymi – opowiada autorka pomysłu, która swoje zainteresowania w obszarze technik przyrostowych rozwijać będzie teraz w Szkole Doktorskiej WAT.
Wytwarzanie elementów ze stopu Ti-5553 metodą LENS może nie tylko minimalizować koszty produkcji i znacznie ograniczyć ilość odpadu technologicznego, ale również umożliwi generowanie właściwości stosownie do planowanej aplikacji bez konieczności przeprowadzania dodatkowej obróbki cieplnej. Cały proces idealnie wpisuje się w obecne trendy materiałowo-technologiczne, czyli materiały oparte na wiedzy wytwarzane warunkach zrównoważonej produkcji.
Sebastian Jurek, źródło: WAT