Peleburan Katil Serbuk Laser Sebatian Antara Logam Titanium Aluminium (TiAl): Laluan Pembuatan Aditif untuk Komponen Suhu Tinggi Ringan dalam Aeroangkasa

Pengenalan: Dilema antara Pengurangan Berat dan Rintangan Suhu

Keperluan enjin aero dan turbin gas terhadap pengurangan berat serta rintangan suhu terus meningkat. Superaloi berasaskan nikel mempunyai ketumpatan sekitar 8.2 g/cm³, menjadikan ruang pengurangan berat agak terhad. Sebaliknya, sebatian antara logam γ-TiAl, dengan komposisi tipikal Ti-48Al-2Cr-2Nb dalam peratus atom, mempunyai ketumpatan hanya 3.9–4.2 g/cm³, kira-kira separuh daripada aloi berasaskan nikel, dan pada masa yang sama boleh beroperasi jangka panjang pada 700–800°C. Penggunaan bahan ini untuk komponen struktur yang menanggung suhu seperti bilah turbin tekanan rendah dan selongsong pemampat merupakan laluan penting bagi pencerahan komponen aeroangkasa. Namun, TiAl mempunyai kerapuhan intrinsik yang tinggi, kekonduksian terma yang rendah dan unsur aluminium yang mudah teroksida, menjadikan penempaan dan penuangan konvensional amat sukar. Oleh itu, peleburan katil serbuk laser (LPBF) menjadi salah satu kaedah pembentukan yang paling berpotensi.

1. Mengapa TiAl Sesuai untuk Pembuatan Aditif

Kemuluran suhu bilik γ-TiAl biasanya kurang daripada 2%, tetingkap kerja panasnya sempit, manakala pemesinan dan penempaan konvensional menyebabkan kehilangan bahan yang besar serta kos yang tinggi. LPBF menggunakan kaedah peleburan lapisan demi lapisan untuk mengatasi masalah pemprosesan ubah bentuk besar, dan boleh membentuk secara langsung prabentuk hampir bentuk akhir dengan rongga dalaman serta struktur penyejukan yang kompleks. Untuk komponen suhu tinggi dalam kuantiti kecil dan pelbagai variasi, pembuatan aditif mempunyai kelebihan jelas dari segi masa penghantaran dan kebebasan reka bentuk, selain memudahkan pengesahan iteratif pantas sebelum pemasangan sebenar.

2. Cabaran Proses Utama dalam LPBF

TiAl menghadapi tiga masalah tipikal dalam LPBF. Pertama ialah retakan panas dan retakan sejuk, yang berpunca daripada kecerunan suhu curam dan tegasan baki tinggi akibat kekonduksian terma yang rendah. Kedua ialah pemantulan laser yang tinggi dan tekanan wap aluminium yang tinggi, yang mudah menyebabkan pembentukan bebola, percikan dan liang gas. Ketiga ialah peningkatan kandungan oksigen antara lapisan yang boleh membentuk filem oksida yang merapuhkan bahan, lalu mengurangkan kemuluran dan prestasi lesu. Semua faktor ini memerlukan tetingkap proses, atmosfera dan pascapemprosesan direka sebagai satu gelung tertutup yang lengkap.

3. Tetingkap Proses dan Kawalan Parameter

Dalam aplikasi kejuruteraan, julat proses yang lazim digunakan merangkumi kuasa laser 150–350 W, kelajuan imbasan 600–1200 mm/s dan ketebalan lapisan 30–50 μm, digabungkan dengan prapemanasan plat asas pada 200–400°C. Sesetengah peralatan menggunakan plat asas panas sekitar 500°C untuk mengurangkan retakan akibat tegasan terma. Ketumpatan tenaga yang terlalu tinggi boleh menyebabkan lubang kunci dan peleburan berlebihan, manakala ketumpatan tenaga yang terlalu rendah mengakibatkan ketumpatan tidak mencukupi. Ketumpatan relatif sasaran perlu stabil melebihi 99.5%, sambil menggunakan strategi imbasan papan catur atau jalur serta putaran arah imbasan untuk mengurangkan penumpuan tegasan baki.

4. Kawalan Atmosfera dan Kandungan Oksigen

Keaktifan aluminium menjadikan TiAl sangat sensitif terhadap oksigen. Kandungan oksigen dalam kebuk pembentukan disarankan dikawal di bawah 500 ppm, manakala kandungan oksigen serbuk titanium aluminium sebaiknya lebih rendah daripada 0.1 wt%. Proses penghantaran serbuk dan pengambilan komponen perlu dilakukan dalam kotak sarung tangan argon penuh atau persekitaran lengai bagi mengelakkan penyerapan lembapan dan pengoksidaan. Pengurusan atmosfera yang stabil merupakan prasyarat untuk mengurangkan perapuhan dan memastikan konsistensi kelompok, selain menjadi jaminan bahawa rawatan haba seterusnya tidak menghasilkan anomali.

5. Pascapemprosesan dan Kawalan Mikrostruktur

TiAl dalam keadaan selepas LPBF biasanya mengandungi liang tidak lebur dan kecacatan antara lapisan. Oleh itu, penekanan isostatik panas, atau HIP, sekitar 1180–1250°C dan 150–200 MPa diperlukan untuk menutup keliangan, diikuti rawatan haba bagi menghasilkan mikrostruktur lamela α2+γ untuk mengimbangi kekuatan, keliatan dan rintangan rayapan. Rawatan haba yang sesuai boleh menstabilkan kekuatan tegangan pada suhu bilik dan pada suhu tinggi 700°C masing-masing dalam julat 600–700 MPa dan 700–800 MPa, sekali gus memenuhi keperluan penggunaan komponen struktur yang menanggung suhu.

6. Prestasi dan Aplikasi Tipikal

Komponen TiAl yang dioptimumkan melalui gabungan proses dan pascapemprosesan telah melalui pengesahan pemasangan dalam bilah turbin tekanan rendah enjin aero, flap jet dan komponen pemampat. Nilainya bukan terletak pada had prestasi tunggal, tetapi pada gabungan kelebihan ketumpatan yang berkurang separuh dan peningkatan rintangan suhu. Pada suhu operasi yang sama, pengurangan berat yang ketara dapat dicapai, seterusnya meningkatkan nisbah tujahan kepada berat dan kecekapan bahan api. Inilah logik utama pembuatan aditif dalam menyokong komponen suhu tinggi yang ringan.

Kesimpulan

Pembentukan LPBF bagi γ-TiAl ialah kejuruteraan sistem yang merentasi bahan, proses dan pascapemprosesan. Hanya dengan menguasai tiga aspek penting, iaitu tetingkap proses yang sempit, atmosfera lengai dan rawatan haba HIP, bahan suhu tinggi ringan yang sukar diproses ini dapat diubah menjadi komponen struktur aeroangkasa yang boleh dihasilkan secara kelompok dan disahkan semula. Bagi pengeluar yang mengejar pengurangan berat dan nisbah tujahan kepada berat yang tinggi, pembuatan aditif TiAl sedang bergerak daripada penyelidikan ke pelaksanaan kejuruteraan.