12 جولای 2022 -توسط موسسه ملی علوم مواد
(سمت چپ) پرتو لیزر بر روی بستر پودر تابش می شود و اجسام تک بلوری استوانه ای تولید می شوند. (راست) یک پرتو لیزری با سطح صاف می‌تواند برای تشکیل کریستال‌هایی که در جهت یکسانی قرار دارند اعمال شود، در حالی که استفاده از پرتو لیزر معمولی گاوسی منجر به دانه‌های کریستالی کمتر جهت‌دار می‌شود. اعتبار: تومونوری کیتاشیما/موسسه ملی علوم مواد
NIMS و دانشکده مهندسی فارغ التحصیل دانشگاه اوزاکا با تابش پودر نیکل با پرتو لیزری با شعاع بزرگ یعنی پرتو لیزری که شدت آن در سراسر یک واحد یکنواخت است موفق به ساخت یک تک بلور نیکل شده اند که تنها دارای نقص بلوری بسیار کمی است. این تکنیک ممکن است برای ساخت طیف وسیعی از مواد تک کریستالی، از جمله مواد مقاوم در برابر حرارت برای موتورهای جت و توربین‌های گازی مورد استفاده قرار گیرد.
مطالعات قبلی گزارش داده اند که تک بلورها را می توان با استفاده از تولید افزودنی پرتو الکترونی ساخت. با این حال، این تکنیک به تجهیزات گران قیمت نیاز دارد و عملکرد آن نیز به دلیل نیاز به ایجاد خلاء پرهزینه است و استفاده گسترده از آن را محدود می کند. اگرچه تولید افزودنی لیزر را می توان با استفاده از تجهیزات ارزان تر انجام داد، تلاش های قبلی برای ساخت تک بلورها با استفاده از این تکنیک شکست خورده بود. هنگامی که یک ماده پودر فلز خام با پرتو لیزر تابش می شود، ذوب می شود و یک رابط جامد-مایع را تشکیل می دهد. رشد دانه‌ها در نزدیکی سطح مشترک در یک جهت و جلوگیری از تشکیل عیوب ایجاد کرنش ناشی از انجماد آنها دشوار بود.
مشخص شد که این مشکل به مشخصات شدت پرتوهای لیزر گاوسی معمولی (یعنی پرتوهای لیزر با شدت زنگوله‌شکل در سطح مقطع پرتو) نسبت داده می‌شود که باعث تشکیل چند بلورهای متشکل از دانه‌های کریستالی بسیاری از مرزهای دانه با جهت کمتری می‌شود.
این تیم تحقیقاتی دانشکده مهندسی فارغ التحصیل دانشگاه NIMS-Osaka موفق به ساخت تک بلورها با استفاده از یک پرتو لیزری با سطح تخت شد که یک سطح حوضچه مذاب مسطح را روی پودرهای نیکل تشکیل داد. دانه‌های کریستالی منفرد در همان جهت با نقص‌های القای کرنش کمتر رشد کردند. تک بلورهای بدون مرز دانه که مستعد ترک خوردن هستند در دماهای بالا بسیار قوی هستند. این تکنیک جدید راهی برای به حداقل رساندن تولید کرنش و ترک خوردگی کریستال ها در طول انجماد آنها فراهم می کند. علاوه بر این، این تکنیک نیازی به استفاده از کریستال های بذر ندارد، که فرآیندهای تولید افزودنی را ساده می کند.
علاوه بر نیکل، این تکنیک تولید افزودنی لیزری را می توان برای پردازش سایر فلزات و آلیاژها به اشیاء تک کریستالی نیز استفاده کرد. موتور جت و اجزای توربین گاز در شکل پیچیده‌تر و سبک‌تر می‌شوند و تقاضا برای ساخت افزودنی این قطعات با استفاده از سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل مقاوم در برابر حرارت رو به افزایش است. از آنجایی که تک کریستال ها در دماهای بالا قوی تر از پلی کریستال ها هستند، استفاده عملی از آنها به عنوان مواد مقاوم در برابر حرارت امیدوارکننده است. انتظار می‌رود که تلاش‌های جهانی تحقیق و توسعه برای دستیابی به این هدف با استفاده از فناوری ارزان‌تر و پرکاربرد تولید افزودنی لیزری به سرعت تشدید شود.
این تحقیق در Additive Manufacturing Letters منتشر شده است.
