Ilmuwan AS menggunakan pengocok laser untuk membuat paduan canggih untuk jet dan reaktor nuklir
Para peneliti di Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST) telah menciptakan metode berbasis laser baru yang dapat menyederhanakan pembuatan beberapa paduan logam paling keras di dunia. Terobosan mereka menggunakan laser yang diprogram khusus untuk mengaduk logam cair selama pencetakan 3D. Hal ini membantu berbagai unsur berbaur lebih merata pada tingkat atom. Kemajuan ini dapat membantu menghasilkan material berkinerja tinggi untuk mesin jet, reaktor nuklir, dan peralatan lain yang harus bekerja dalam kondisi ekstrem. Mengapa paduan dengan entropi tinggi sulit diproduksi Banyak industri modern bergantung pada paduan logam yang menawarkan sifat unik seperti ketahanan panas, kekuatan, dan ketahanan terhadap korosi. Kebanyakan paduan tradisional dibuat dari satu logam utama yang dikombinasikan dengan sejumlah kecil unsur lainnya. Misalnya, baja sebagian besar berupa besi dengan sedikit karbon dan bahan tambahan lainnya. Paduan entropi tinggi (HEA) berbeda karena mengandung banyak logam dalam jumlah yang kira-kira sama, bukan hanya satu logam utama. HEA tipikal mungkin mengandung lima logam, masing-masing menyumbang sekitar 20% dari total. Campuran unik ini dapat bekerja dengan sangat baik pada suhu tinggi, sehingga menarik untuk aplikasi ruang angkasa dan energi. Namun, membuatnya tidaklah mudah. “HEA perlu dicampur hingga ke tingkat atom,” kata Fan Zhang, fisikawan NIST yang ikut memimpin proyek ini. “Dibutuhkan upaya ekstra untuk membuat logam menyatu dalam rasio tersebut.” Logam yang berbeda meleleh, mengalir, dan mendingin secara berbeda. Ketika bahan cair mengeras, unsur-unsurnya sering kali terpisah menjadi beberapa area berbeda, sehingga menurunkan kualitas dan kekuatan paduan. “Sulit untuk membuat komponen HEA dengan metode tradisional seperti pengecoran,” kata Zhang, “Tetapi kami yakin pencetakan 3D logam dapat menjadi solusi.” Tim bekerja dengan fusi lapisan bubuk laser, jenis pencetakan 3D logam yang umum. Dalam metode ini, laser melelehkan bubuk logam halus satu lapis pada satu waktu untuk membentuk benda padat. Biasanya, laser bergerak dalam garis lurus melintasi lapisan bedak. Peneliti NIST Ho Yeung dan timnya mencoba sesuatu yang baru. Mereka memprogram laser untuk bergerak dalam putaran, yang mengaduk genangan kecil logam cair saat terbentuk. Ide ini mirip dengan mencampur bahan-bahan dalam mangkuk. Dengan memindahkan logam cair, para peneliti membantu unsur-unsur tersebut menyatu, bukan terpisah. “Perangkat lunak printer 3D komersial tidak dapat membuat pola-pola ini,” jelas Yeung. “Mereka sangat terbatas dalam mengatur jalur laser, jadi kami harus menulis perangkat lunaknya dari awal.” Karena teknik ini menggunakan perangkat lunak dan bukan perangkat keras baru, printer 3D logam saat ini dapat menggunakannya dengan memperbarui perangkat lunaknya. Sinar-X yang kuat mengungkapkan apa yang terjadi secara real-time. Untuk menguji prosesnya, tim mencoba mencampurkan dua bahan yang biasanya sangat sulit untuk digabungkan: paduan padat entropi tinggi yang disebut RHEA-19 dan paduan titanium ringan. Para peneliti menggerakkan laser perulangan melintasi batas antara kedua material dan kemudian memeriksa apa yang terjadi. Untuk melihat perubahan selama pemadatan, mereka bekerja dengan Advanced Photon Source (APS) di Argonne National Laboratory dekat Chicago. APS menghasilkan sinar X-ray sekitar 500 miliar kali lebih terang dibandingkan di klinik gigi. Hal ini memungkinkan para ilmuwan melihat perubahan di dalam logam padat hanya dalam sepersekian detik. “APS adalah salah satu dari sedikit sumber foton di dunia yang cukup kuat untuk memungkinkan kita melakukan pengukuran jenis ini,” kata Zhang. Dengan menggunakan difraksi sinar-X dan mikroskop elektron, para peneliti memastikan bahwa pengadukan dengan laser meningkatkan pencampuran dan pembentukan paduan. Menuju produksi paduan berdasarkan permintaan, manfaatnya lebih dari sekadar paduan entropi tinggi. Para peneliti berpendapat bahwa teknik ini dapat memungkinkan produsen membuat paduan khusus selama pencetakan, daripada hanya mengandalkan bubuk paduan yang sudah jadi. Saat ini, setiap bubuk logam dibuat untuk paduan tertentu. Di masa depan, printer dapat mencampur bubuk logam dasar di dalam mesin, serupa dengan cara printer berwarna mencampur tinta untuk menghasilkan warna berbeda. Pendekatan ini dapat mengurangi biaya, menawarkan lebih banyak pilihan desain, dan memungkinkan para insinyur mengubah sifat material dalam satu bagian. Misalnya, bagian-bagian berbeda dari bilah turbin mesin jet dapat dicetak dengan paduan yang berbeda, tanpa perlu mengelas bagian-bagian yang terpisah menjadi satu. “Kami ingin mempercepat pembuatan paduan,” kata Yeung. “Pencetakan 3D logam berpotensi membuat komponen yang dulunya mustahil.” Penelitian tersebut dijelaskan dalam jurnal Additive Manufacturing.
Diterbitkan : 2026-06-05 14:49:00
sumber : interestingengineering.com
