ალუმინის ფხვნილის გარღვევა 3D ბეჭდვის მასალებში
ჩრდილო-დასავლეთის პოლიტექნიკური უნივერსიტეტის ლაბორატორიაში შესვლისას, სინათლით გამყარებადი3D პრინტერი ოდნავ ზუზუნებს და ლაზერული სხივი ზუსტად მოძრაობს კერამიკულ ნალექში. სულ რამდენიმე საათის შემდეგ, სრულად წარმოდგენილია ლაბირინთის მსგავსი რთული სტრუქტურის მქონე კერამიკული ბირთვი - ის გამოყენებული იქნება თვითმფრინავის ძრავების ტურბინის პირების ჩამოსხმისთვის. პროექტის ხელმძღვანელმა პროფესორმა სუ ჰაიჯუნმა მიუთითა დელიკატურ კომპონენტზე და თქვა: „სამი წლის წინ, ჩვენ ვერც კი ვბედავდით ასეთ სიზუსტეზე ფიქრს. მთავარი გარღვევა ამ შეუმჩნეველ ალუმინის ფხვნილშია დამალული“.
ერთ დროს, ალუმინის კერამიკა ამ სფეროში „პრობლემურ სტუდენტს“ ჰგავდა.3D ბეჭდვა– მაღალი სიმტკიცე, მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადობა, კარგი იზოლაცია, თუმცა დაბეჭდვის შემდეგ მას ბევრი პრობლემა შეექმნა. ტრადიციული პროცესების დროს, ალუმინის ფხვნილს ცუდი სითხეობა აქვს და ხშირად ბლოკავს საბეჭდ თავს; შედუღების დროს შეკუმშვის მაჩვენებელი შეიძლება 15%-20%-ს მიაღწიოს, ხოლო დიდი ძალისხმევით დაბეჭდილი ნაწილები დამწვრობისთანავე დეფორმირდება და იბზარება; რთული სტრუქტურები? ეს კიდევ უფრო მეტი ფუფუნებაა. ინჟინრები შეშფოთებულები არიან: „ეს ნივთი ჯიუტ მხატვარს ჰგავს, ველური იდეებით, მაგრამ არა საკმარისი ხელებით“.
1. რუსული ფორმულა: „კერამიკული ჯავშნის“ დადებაალუმინიმატრიცა
გარდამტეხი მომენტი თავდაპირველად მასალების დიზაინის რევოლუციამ დადგა. 2020 წელს რუსეთის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ეროვნული უნივერსიტეტის (NUST MISIS) მატერიალმოლოგებმა რევოლუციური ტექნოლოგია გამოაცხადეს. ალუმინის ოქსიდის ფხვნილის უბრალოდ შერევის ნაცვლად, მათ მაღალი სისუფთავის ალუმინის ფხვნილი ავტოკლავში მოათავსეს და ჰიდროთერმული დაჟანგვის მეთოდით „გაზარდეს“ ალუმინის ოქსიდის ფირის ფენა, რომლის სისქეც ზუსტად კონტროლირებადია თითოეული ალუმინის ნაწილაკის ზედაპირზე, ისევე როგორც ალუმინის ბურთზე ნანოდონის ჯავშნის ფენა. ეს „ბირთვი-გარსიანი სტრუქტურის“ ფხვნილი საოცარ შესრულებას აჩვენებს ლაზერული 3D ბეჭდვის (SLM ტექნოლოგია) დროს: მისი სიმტკიცე 40%-ით მეტია სუფთა ალუმინის მასალების სიმტკიცეზე, ხოლო მაღალტემპერატურულ სტაბილურობა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია, რაც პირდაპირ აკმაყოფილებს საავიაციო დონის მოთხოვნებს.
პროექტის ხელმძღვანელმა, პროფესორმა ალექსანდრე გრომოვმა, ნათელი ანალოგია მოიყვანა: „წარსულში კომპოზიტური მასალები სალათებს ჰგავდა - თითოეული თავის საქმეს აკეთებდა; ჩვენი ფხვნილები სენდვიჩებს ჰგავს - ალუმინი და ალუმინი ერთმანეთს ფენა-ფენა კბენენ და არცერთი არ შეუძლია მეორის გარეშე“. ეს ძლიერი შეერთება საშუალებას აძლევს მასალას, აჩვენოს თავისი ოსტატობა თვითმფრინავის ძრავის ნაწილებსა და ულტრამსუბუქ კორპუსის ჩარჩოებში და ტიტანის შენადნობების ტერიტორიის გამოწვევასაც კი იწყებს.
2. ჩინური სიბრძნე: კერამიკის „დაყენების“ მაგია
ალუმინის კერამიკული ბეჭდვის ყველაზე დიდი პრობლემა შედუღების პროცესია - წარმოიდგინეთ, რომ ფრთხილად მოზილეთ თიხის ფიგურა და ის ღუმელში მოთავსებისთანავე კარტოფილის ზომამდე შეიკუმშა. რამდენად დაიშლებოდა ის? 2024 წლის დასაწყისში, პროფესორ სუ ჰაიჯუნის გუნდის მიერ ჩრდილო-დასავლეთის პოლიტექნიკური უნივერსიტეტის მასალების მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ჟურნალში გამოქვეყნებულმა შედეგებმა ინდუსტრია ააფეთქა: მათ მიიღეს თითქმის ნულოვანი შეკუმშვის მქონე ალუმინის კერამიკული ბირთვი, რომლის შეკუმშვის მაჩვენებელი მხოლოდ 0.3% იყო.
საიდუმლო დამატებააალუმინის ფხვნილიალუმინამდე და შემდეგ ზუსტი „ატმოსფერული მაგიის“ დაკვრა.
ალუმინის ფხვნილის დამატება: კერამიკულ ნალექს შეურიეთ 15% წვრილი ალუმინის ფხვნილი.
ატმოსფეროს კონტროლი: ალუმინის ფხვნილის დაჟანგვის თავიდან ასაცილებლად, შედუღების დასაწყისში გამოიყენეთ არგონის აირისგან დამცავი საშუალება.
ჭკვიანი გადართვა: როდესაც ტემპერატურა 1400°C-მდე მოიმატებს, მოულოდნელად გადართეთ ატმოსფერო ჰაერზე
ადგილზე დაჟანგვა: ალუმინის ფხვნილი მყისიერად დნება წვეთებად და იჟანგება ალუმინის ოქსიდად, ხოლო მოცულობის გაფართოება ანეიტრალებს შეკუმშვას.
3. შემკვრელის რევოლუცია: ალუმინის ფხვნილი „უხილავ წებოდ“ იქცევა
სანამ რუსული და ჩინური გუნდები ფხვნილის მოდიფიკაციაზე ინტენსიურად მუშაობენ, კიდევ ერთი ტექნიკური გზა ნელ-ნელა მომწიფდა - ალუმინის ფხვნილის გამოყენება შემკვრელად. ტრადიციული კერამიკა3D ბეჭდვაშემკვრელები ძირითადად ორგანული ფისებია, რომლებიც ცხიმის მოცილების დროს წვის დროს ღრუებს ტოვებენ. ადგილობრივი გუნდის 2023 წლის პატენტი განსხვავებულ მიდგომას იყენებს: ალუმინის ფხვნილის წყალზე დამზადებულ შემკვრელად გადაქცევას47.
ბეჭდვის დროს, საქშენი ზუსტად აფრქვევს „წებოს“, რომელიც შეიცავს 50-70% ალუმინის ფხვნილს ალუმინის ოქსიდის ფხვნილის ფენაზე. ცხიმის მოცილების ეტაპზე ხდება ვაკუუმის მიღება და ჟანგბადის გატარება, რის შედეგადაც ალუმინის ფხვნილი იჟანგება ალუმინის ოქსიდამდე 200-800°C ტემპერატურაზე. 20%-ზე მეტი მოცულობის გაფართოების მახასიათებელი საშუალებას აძლევს მას აქტიურად შეავსოს ფორები და შეამციროს შეკუმშვის სიჩქარე 5%-ზე ნაკლებამდე. „ეს უდრის ხარაჩოს დემონტაჟს და ამავდროულად ახალი კედლის აშენებას, საკუთარი ნახვრეტების შევსებას!“ - ასე აღწერა ინჟინერმა.
4. ნაწილაკების ხელოვნება: სფერული ფხვნილის გამარჯვება
ალუმინის ფხვნილის „გარეგნობა“ მოულოდნელად გარღვევის გასაღები გახდა - ეს გარეგნობა ნაწილაკების ფორმას ეხება. ჟურნალ „Open Ceramics“-ში 2024 წელს გამოქვეყნებულ კვლევაში შედარდა სფერული და არარეგულარული ალუმინის ფხვნილების მუშაობა დნობით დეპონირების (CF³) ბეჭდვაში5:
სფერული ფხვნილი: მიედინება წვრილი ქვიშასავით, შევსების მაჩვენებელი აღემატება 60%-ს, ხოლო ბეჭდვა გლუვი და აბრეშუმისებრია.
არარეგულარული ფხვნილი: უხეში შაქრის მსგავსად მიკრულია, სიბლანტე 40-ჯერ მეტია და საქშენი დაბლოკილია, რაც სიცოცხლის ხანგრძლივობას ეჭვქვეშ აყენებს.
კიდევ უკეთესია, რომ სფერული ფხვნილით დაბეჭდილი ნაწილების სიმკვრივე შედუღების შემდეგ ადვილად აღემატება 89%-ს და ზედაპირის დასრულება პირდაპირ აკმაყოფილებს სტანდარტს. „ვინ იყენებს ისევ „უშნო“ ფხვნილს? სითხე საბრძოლო ეფექტურობაა!“ ტექნიკოსმა გაიღიმა და დაასკვნა5.
მომავალი: ვარსკვლავები და ზღვები თანაარსებობენ პატარასთან და ლამაზთან ერთად
ალუმინის ფხვნილის 3D ბეჭდვის რევოლუცია ჯერ კიდევ შორს არის დასასრულისგან. სამხედრო ინდუსტრიამ ტურბოვენტილატორიანი პირების წარმოებისთვის თითქმის ნულოვანი შეკუმშვის ბირთვების გამოყენებაში ლიდერობა დაიკავა; ბიოსამედიცინო სფერომ ყურადღება მის ბიოთავსებადობაზე გაამახვილა და ძვლის იმპლანტების ბეჭდვა დაიწყო; ელექტრონიკის ინდუსტრიამ სითბოს გაფრქვევის სუბსტრატები მიზნად დაისახა - ბოლოს და ბოლოს, ალუმინის თბოგამტარობა და არაელექტროგამტარობა შეუცვლელია.