Titan qotishmalarida yuqori mustahkamlikka erishish odatda ko‘proq qotishma elementi ishlatishni talab qiladi; biroq buning tannarx, ishlab chiqariluvchanlik va ayrim hollarda plastiklik nuqtayi nazaridan oqibatlari bor. Ushbu tadqiqot yuqori qotishma ulushiga murojaat qilmasdan kuchli va ayni paytda plastik deformatsiya qobiliyatini saqlaydigan titan ishlab chiqish uchun lazerli kukun yotqizig‘ini eritish (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) usulining favqulodda tez qotish sharoitlaridan foydalanadi. Tadqiqotchilar bu yondashuvni po‘latlarda uzoq vaqtdan beri ishlatiladigan “yuqori mustahkam past qotishmali” tushunchasidan ilhomlanib HSLA-Ti deb ta’riflaydi.

Sof titan hamda og‘irlik bo‘yicha %1,5, %3, %5 va %7 mis saqlagan Ti-Cu qotishmalari L-PBF bilan ishlab chiqarildi. Sof Ti taxminan 580 MPa yakuniy cho‘zilish mustahkamligi va taxminan %22 uzilishdagi cho‘zilish ko‘rsatgan bo‘lsa, Ti-3Cu taxminan 940 MPa mustahkamlikni xuddi shu darajadagi taxminan %22 plastiklik bilan birlashtirdi. Ti-5Cu’da yakuniy cho‘zilish mustahkamligi taxminan 1.340 MPa ga ko‘tarilgan holda uzilishdagi cho‘zilish %12 darajasida qoldi. Ti-7Cu taxminan 1.580 MPa bilan yanada yuqori mustahkamlik berdi, ammo cho‘zilish taxminan %3 ga tushdi.

Bu natijalarning ortida faqat misning qattiq eritma mustahkamlashi turmaydi. Additiv ishlab chiqarishning taxminan 10⁵–10⁷ K/s tartibidagi juda yuqori sovish tezliklari Cu atomlarining uzoq masofali diffuziyasini cheklab, mikron o‘lchamli donalar, bir necha yuz nanometr qalinlikdagi α′/α lamellalar va bir necha nanometr miqyosidagi Cu-ga boy nanopresipitatlardan tashkil topgan iyerarxik tuzilma hosil qiladi. Ayniqsa koherent va kesilishi mumkin bo‘lgan η′ nanopresipitatlari dislokatsiya harakatini qiyinlashtirar ekan, plastik deformatsiyani butunlay to‘xtatmaydi. Ti-5Cu’da ularga yanada qattiqroq Ti₂Cu η nanopresipitatlarining qo‘shilishi mustahkamlikni yanada oshiradi.

Tadqiqot shu tariqa yuqori mustahkamlik–plastiklik kombinatsiyasini faqat qotishma miqdorini oshirish bilan emas, balki ishlab chiqarish jarayonidan faza o‘zgarishi kinetikasini boshqaradigan tarzda foydalanish orqali ham loyihalash mumkinligini ko‘rsatadi. Biroq natijalarni barcha past qotishmali titan tizimlariga avtomatik umumlashtirib bo‘lmaydi; tadqiqot ayniqsa Ti-Cu tizimi va qo‘llanilgan L-PBF sharoitlari ustida bajarilgan.

Nega past qotishmali titan ishlab chiqish istaladi?

Titan; yuqori solishtirma mustahkamligi, charchash ko‘rsatkichlari, korroziyaga chidamliligi va biouyg‘unligi sababli aviatsiya va biotibbiy qo‘llanmalarda muhim muhandislik metallidir. Biroq yuqori samarali tijoriy Ti qotishmalarining katta qismi Al, V, Mo, Sn, Zr va Cr kabi bir nechta qotishma elementlarini nisbatan yuqori ulushlarda o‘z ichiga oladi.

Masalan, Ti-6Al-4V kabi keng tarqalgan tizimlar yuqori mexanik ko‘rsatkich bera olsa-da, qotishma tannarxi, xomashyo nazorati va ishlov berish murakkabligi ortishi mumkin. Bunga qarama-qarshi ravishda tijoriy sof titan yoki past miqdorda Fe, Cr, Al yoxud Cu saqlagan soddaroq tarkiblar ishlab chiqarish va xarajat jihatidan jozibador bo‘lsa ham, odatda mustahkamlik–plastiklik muvozanatida kamchilik ko‘rsatadi.

Tadqiqotning asosiy savoli shuning uchun quyidagicha:

Kamroq qotishma elementi ishlatib, baribir 1 GPa atrofida yoki undan yuqori mustahkamlik bilan foydalanish mumkin bo‘lgan plastiklikni ayni materialda saqlash mumkinmi?

HSLA-Ti nimani anglatadi?

Mualliflar po‘latlardagi High-Strength Low-Alloy yondashuvini titanga moslashtirib yangi ishchi ta’rif taklif qiladi.

Taklif etilgan HSLA-Ti mezonlari:

• jami qotishma elementi miqdori taxminan %5 og‘irlik yoki undan past,
• yakuniy cho‘zilish mustahkamligi UTS > 800 MPa,
• umumiy cho‘zilish TE > %10.

Ushbu tadqiqot doirasida bu mezonlarga ayniqsa:

• Ti-3Cu: taxminan 940 MPa UTS va taxminan %22 cho‘zilish,
• Ti-5Cu: taxminan 1.340 MPa UTS va %12 cho‘zilish

mos keladi.

Ti-1.5Cu taxminan 770 MPa UTS bilan taklif qilingan 800 MPa mustahkamlik chegarasidan pastda qoladi. Ti-7Cu esa ham taklif qilingan %5 qotishma chegarasidan oshadi, ham cho‘zilishi taxminan %3 ga tushgani uchun HSLA-Ti ta’rifidan tashqarida baholanishi kerak.

Nega mis tanlandi?

Ti-Cu tizimi tadqiqotchilar uchun ayniqsa qiziqarli, chunki Cu’ning Ti ichidagi diffuziyasi tez, xona haroratidagi eruvchanligi esa past. An’anaviy sovitish sharoitlarida bu holat Cu’ning oson ajralishiga va Ti₂Cu kabi muvozanat fazalari hosil bo‘lishiga olib kelishi mumkin.

Katta va koherentsiz ikkinchi faza zarrachalari mustahkamlikni oshira olsa ham, kuchlanish konsentratsiyasini yaratib sinishni osonlashtirishi mumkin. Quyma Ti-Cu qotishmalarida taxminan 890 MPa darajasida yuqori mustahkamlik xabar qilinganiga qaramay, taxminan %1 kabi juda past plastiklik kuzatilishi bu muammoning misollaridan biridir.

Tadqiqot yondashuvi Cu diffuziyasini butunlay erkin qo‘yish o‘rniga L-PBF’ning yuqori sovish tezliklari bilan kinetik jihatdan cheklash va ancha mayda, ayrimlari koherent nanopresipitatlar yaratishdan iborat.

L-PBF nima uchun klassik ishlab chiqarishdan farqli natija beradi?

Lazerli kukun yotqizig‘ini eritishda lazer juda kichik hududni qisqa muddatga eritib, materialni qatlamma-qatlam hosil qiladi. Erish havzasi tez soviydi va keyingi qatlamlarga ishlov berish vaqtida hudud qayta-qayta termal sikllarga duchor bo‘ladi.

Bu sharoitlar muvozanat faza diagrammasida kutiladigan o‘zgarishlar yuz berishi uchun yetarli diffuziya vaqtini qoldirmasligi mumkin.

Manba tadqiqotiga ko‘ra taxminan:

• L-PBF: 10⁵–10⁷ K/s,
• L-DED: 10²–10⁴ K/s,
• suvda chiniqtirish: taxminan 160 °C/s

tartiblarida sovish yuz beradi.

Bu juda katta farq L-PBF’da Cu atomlarining diffuziyasini cheklab, muvozanatdan tashqari α′ martensitik tuzilma va metastabil Cu-ga boy nanopresipitatlarni saqlab qolishga imkon beradi.

1-rasm bizga nimani ko‘rsatadi?

Maqolaning ikkinchi sahifasidagi 1-rasm tadqiqotning asosiy mexanik natijasini oltita alohida panelda ko‘rsatadi.

Kuchlanish–deformatsiya egri chiziqlarida Cu miqdori oshgani sari mustahkamlik tizimli ravishda ko‘tariladi:

Bu yerda klassik mustahkamlik–plastiklik murosasi ayniqsa Ti-7Cu’da yana yaqqol ko‘rinadi. Mis miqdori haddan tashqari oshganda juda yuqori mustahkamlik olinadi, ammo plastik deformatsiya qobiliyati keskin pasayadi.

1-rasm(c–f) tadqiqotchilarning o‘z Ti-Cu natijalarini ilgari chop etilgan Ti-Cu tizimlari, Ti-6Al-4V va turli α, α+β hamda β titan qotishmalari bilan solishtiradi. Mualliflarning adabiyot sharhiga ko‘ra ayniqsa Ti-3Cu juda yuqori mustahkamlik–plastiklik ko‘paytmasini ko‘rsatadi.

Mikrotuzilma qanchalik kichraydi?

Sof L-PBF Ti taxminan 48 ± 11 µm o‘rtacha dona o‘lchamiga ega notekis donalarni ko‘rsatgan bo‘lsa, Ti-Cu qotishmalarida donalar ichida nozik basket-weave lamellalar hosil bo‘lgan.

O‘rtacha lamella qalinliklari:

Cu miqdori oshgani sari lamellalarning ingichkalashuvi dislokatsiyalarning erkin harakat masofasini kamaytirib, mustahkamlik ortishiga hissa qo‘shadi.

2-rasm: Atom miqyosida nima hosil bo‘ladi?

Maqolaning uchinchi sahifasidagi 2-rasm EBSD va atomik aniqlikdagi STEM tasvirlarini birlashtiradi.

Ti-3Cu’da ikki xil Cu-ga boy nanopresipitat turi kuzatiladi:

• lamella chegaralarida taxminan 16 nm uzunlik va 5 nm kenglikdagi plastinka shaklli zarrachalar,
• lamella ichida taxminan 2 nm o‘lchamdagi yanada kichik zarrachalar.

Atomik aniqlikdagi HAADF-STEM va elektron difraksiyasi tahlillari bu zarrachalar atrofdagi α′ matritsa bilan bir xil HCP atom tartibini saqlashini ko‘rsatadi.

Tadqiqotchilar bu Cu-ga boy, koherent va metastabil tuzilmaga η′ fazasi nomini beradi.

Koherent nanopresipitat nima uchun muhim?

Presipitat matritsaga koherent bo‘lganda ikki kristallning atom tekisliklari katta darajada uzluksiz davom etadi. Shu sababli interfeys katta va koherentsiz intermetall zarrachalardagidek kuchli sinish yadrosini hosil qilmasligi mumkin.

Shu bilan birga η′ zarrachalari dislokatsiyalar harakatini qiyinlashtiradi. Dislokatsiya yetarlicha yuqori kuchlanishda zarracha ichidan kesib o‘tishi mumkin. Shunday qilib zarracha ham mustahkamlovchi to‘siq bo‘ladi, ham butunlay mo‘rt baryer kabi tutmaydi.

Bu mexanizm tadqiqotning mustahkamlik va plastiklikni bir vaqtda saqlash izohining markazidadir.

Ti-5Cu nima uchun Ti-3Cu’dan farq qiladi?

Ti-3Cu’da mikrotuzilma asosan α′ matritsasi va η′ nanopresipitatlardan iborat bo‘lsa, Ti-5Cu’da Cu miqdorining oshishi diffuziyali o‘zgarishning ko‘proq sodir bo‘lishiga imkon beradi.

Natijada Ti-5Cu’da:

• α lamellalar,
• koherent η′ nanopresipitatlar,
• muvozanat Ti₂Cu tuzilmasidagi η nanopresipitatlar

birgalikda mavjud bo‘ladi.

Mualliflar buni dual nanoprecipitation — qo‘sh nanopresipitatsiya deb ta’riflaydi.

η zarrachalari η′ ga qaraganda dislokatsiyalar kesib o‘tishi qiyinroq bo‘lgan to‘siqlardir. Shu sababli Ti-5Cu’ning mustahkamligi Ti-3Cu’ga nisbatan keskin ortadi. Ayni paytda tizimdagi nozik η′ zarrachalari va η fazalari orasidagi nisbatan yumshoqroq hududlar plastik deformatsiyaning davom etishini ta’minlaydi.

APT o‘lchovi Cu taqsimotini qanday tasdiqladi?

Beshinchi sahifadagi 3-rasm STEM-XEDS va Atom Probe Tomography natijalarini ko‘rsatadi.

APT tahliliga ko‘ra Ti-3Cu’dagi η′ nanopresipitatlarda maksimal Cu konsentratsiyasi taxminan %27,5 atomik darajaga yetadi.

η′ nanopresipitatlarning son zichligi taxminan:

\[ 2\times10^{22}\;m^{-3} \]

deb baholangan.

Bu nihoyatda yuqori son zichligi nanometr miqyosidagi to‘siqlarning dislokatsiyalar harakat yo‘li bo‘ylab juda tez-tez uchrashishini ta’minlaydi.

η′ haqiqatan ham metastabilmi?

Ti-3Cu namunasi 600 °C da bir soat issiqlik ishlovidan o‘tkazilganda η′ zarrachalarining muvozanat Ti₂Cu η fazasiga aylangani kuzatilgan.

Mualliflar taklif etgan o‘zgarish ketma-ketligi:

\[ \alpha'(\mathrm{S.S.S.S.}) \rightarrow \eta' + \alpha' \rightarrow \eta' + \alpha + \eta \rightarrow \alpha + \eta \]

shaklidadir.

Bu yerda S.S.S.S., supersaturated solid solution, ya’ni o‘ta to‘yingan qattiq eritmani anglatadi.

Nega an’anaviy ishlab chiqarishda xuddi shu tuzilma hosil bo‘lmaydi?

Tadqiqotchilar ayni Ti-Cu tarkiblarini vakuum ark eritish va suvda chiniqtirish kabi klassik yo‘llar bilan ham tekshirgan.

Bu jarayonlarda sovish L-PBF darajasida tez bo‘lmagani uchun Cu diffuziyasi yetarli darajada bostirilmagan va α + η evtektoid tuzilma paydo bo‘lgan. Katta va nisbatan uzluksiz Ti₂Cu fazalari hosil bo‘lgan, η′ nanopresipitatlari esa kuzatilmagan.

Bu solishtirish natijalar faqat Ti-Cu kimyosiga emas, balki L-PBF’ning muvozanatdan tashqari termal tarixiga bog‘liqligini qo‘llab-quvvatlaydi.

DFT hisob-kitoblari nima dedi?

Tadqiqotchilar 200 atomli α-Ti superhujayrasi ustida zichlik funksional nazariyasi hisob-kitoblarini bajargan.

Natijalar Cu atomlari Ti matritsasi ichida bir-biridan butunlay mustaqil qolish o‘rniga bir-birini tortishini va uchinchi eng yaqin qo‘shni masofasini afzal ko‘rishini ko‘rsatgan.

Mualliflar bu energiya moyilligini Cu-ga boy η′ klasterlari hosil bo‘lishi termodinamik jihatdan qulay bo‘lishi mumkinligining atomistik dalili sifatida talqin qiladi.

4-rasm: Material deformatsiya vaqtida nima qiladi?

Oltinchi sahifadagi 4-rasm cho‘zilish deformatsiyasidan keyin dislokatsiyalarning nanopresipitatlar bilan o‘zaro ta’sirini ko‘rsatadi.

Ti-3Cu’da taxminan %12 deformatsiyada juda ko‘p egri-bugri <a> dislokatsiyalari va yuqoriroq aktivatsiya kuchlanishini talab qiladigan <c+a> dislokatsiyalari ko‘rilgan.

Taxminan %22 deformatsiyada <c+a> dislokatsiyalari yanada yaqqol bo‘lgani va siniq yuzaga yaqin hududda bir-biriga chirmashgani kuzatiladi.

Bu holat η′ zarrachalari dislokatsiyalarni vaqtincha ushlab turishini, ammo yuqori kuchlanishda dislokatsiyalar nanopresipitatlarni kesib ilgarilay olishini qo‘llab-quvvatlaydi.

Ko‘p sirpanish nima uchun plastiklikni saqlaydi?

Metall plastik deformatsiya vaqtida faqat oz sonli sirpanish tizimlari orqali deformatsiyalana olsa, deformatsiya muayyan hududlarda jamlanishi va erta sinish rivojlanishi mumkin.

Ti-Cu qotishmalaridagi iyerarxik tuzilma dislokatsiya to‘planishi natijasida turli sirpanish tizimlari faollashishini rag‘batlantiradi.

Ayniqsa Ti-3Cu’da deformatsiya ortgani sari ko‘ndalang sirpanish va ko‘p sirpanish mexanizmlarining rivojlanishi yanada bir xil plastik deformatsiyaga hissa qo‘shadi.

Ti-5Cu qanday qilib ham qattiq, ham plastik bo‘lib qoladi?

Ti-5Cu’dagi η zarrachalari <c+a> dislokatsiyalarini kuchli tarzda mahkamlaydi. Biroq η qatorlari orasidagi hududlar va kesilishi mumkin bo‘lgan η′ nanopresipitatlar mavjud kanallar osonroq plastik deformatsiyalana oladi.

Tadqiqot bu tuzilmani bir turdagi mikromiqyosli kompozit xatti-harakati sifatida talqin qiladi:

• qattiq η hududlari: yuqori mustahkamlik beradi,
• η′ saqlagan yumshoqroq kanallar: plastik oqishni davom ettiradi.

Shu tariqa Ti-5Cu Ti-3Cu’dan ancha yuqori mustahkamlikka ega bo‘lar ekan, plastiklik butunlay yo‘qolmaydi.

5-rasm va molekulyar dinamika simulyatsiyasi

Yettinchi sahifadagi 5-rasm bir chekka <a> dislokatsiyasining η′ nanopresipitat qatoridan o‘tishini atomistik miqyosda simulyatsiya qiladi.

Rasmda qo‘llangan parametrlar nanopresipitatlar orasida:

• 20 nm oraliq,
• 4 nm diametr

deb ko‘rsatiladi.

Sof Ti’da dislokatsiya harakati uchun taxminan 390 MPa kritik sirpanish kuchlanishi kerak bo‘lsa, η′ nanopresipitat qatori mavjud modelda bu qiymat taxminan 570 MPa ga chiqadi.

Taxminiy farq:

\[ 570-390\approx180\;MPa \]

deb topilgan.

Polycrystalline tizim uchun Taylor faktori 3 qo‘llanganda nazariy yuqori chegara:

\[ \Delta\sigma_y\approx3(180)=540\;MPa \]

deb hisoblangan.

Mualliflar buning MD’dagi juda yuqori deformatsiya tezligi sababli haqiqiy tajriba sharoitlarini bevosita ifodalamasligini ta’kidlaydi. Deformatsiya tezligi sezgirligi bilan qilingan tuzatish taxminan 325 MPa ortish bahosini beradi.

MD usulida manba ichidagi nomuvofiqlik

5-rasm va muhokamada η′ zarracha diametri 4 nm deb berilgan bo‘lsa, Methods bo‘limidagi birinchi MD modeli tavsifida nanopresipitat uchun 6 nm diametr ko‘rsatilgan.

Manba bu farqni tushuntirmaydi. Shu sababli bu yerda qiymatlardan biri boshqasining o‘rniga jimgina tuzatilmagan.

Xuddi shuningdek, muhokamada hisoblash deformatsiya tezligi taxminan 10⁸ s⁻¹ deb ifodalangan bo‘lsa, usullar bo‘limida ishlatilgan chegaraviy shart 2 × 10⁸ s⁻¹ dir.

Materialning sinish xatti-harakati qanday o‘zgardi?

Ti-1.5Cu va Ti-3Cu siniq yuzalari asosan chuqurchali, ya’ni plastik sinishga xos morfologiya ko‘rsatgan.

Ti-5Cu va Ti-7Cu’da chuqurchalar bilan birga cleavage xususiyatlari ko‘rinadi.

Ayniqsa Ti-7Cu siniq yuzasida quasi-cleavage xarakterining ustun bo‘lib qolishi uning taxminan %3 ga tushgan plastikligi bilan mos keladi.

Tadqiqot nimani qo‘llab-quvvatlaydi?

• L-PBF’ning yuqori sovish tezligi Ti-Cu’da klassik ishlab chiqarishda qiyin olinadigan metastabil mikrotuzilmalarni hosil qilishi mumkin.
• Cu miqdori oshgani sari Ti-Cu qotishmalarining mustahkamligi sezilarli ravishda ko‘tariladi.
• Ti-3Cu taxminan 940 MPa UTS bilan taxminan %22 plastiklikni birgalikda ta’minlay oladi.
• Ti-5Cu qo‘sh nanopresipitatsiya tufayli taxminan 1.340 MPa UTS va %12 uzilishdagi cho‘zilishga erishgan.
• Koherent η′ nanopresipitatlar dislokatsiyalarni mustahkamlovchi tarzda to‘sar ekan, kesilishi mumkin bo‘lishi plastik deformatsiya davom etishiga yordam beradi.
• Ti-5Cu’dagi yanada qattiq η nanopresipitatlar qo‘shimcha mustahkamlik ortishini ta’minlaydi.
• Lamella ingichkalashuvi, nanopresipitatsiya va ko‘p sirpanish mexanizmlari birgalikda mustahkamlik–plastiklik muvozanatiga hissa qo‘shadi.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

• Barcha past qotishmali titan tarkiblari L-PBF bilan xuddi shu ko‘rsatkichga erishishini ko‘rsatmaydi.
• 1.340 MPa va %12 natijasining barcha L-PBF mashinalari yoki parametrlarida avtomatik qayta takrorlanishini isbotlamaydi.
• Ti-7Cu HSLA-Ti mezoniga mos ekanini ko‘rsatmaydi.
• Materialning charchash umrini yoki sinish qovushqoqligini ushbu tadqiqotda keng tarzda tasdiqlamaydi.
• Uzoq muddatli korroziya yoki implant ko‘rsatkichini sinamaydi.
• Cu saqlagan namunalarida antibakterial ko‘rsatkichni bevosita o‘lchamaydi.
• Past qotishma miqdori hayot sikli karbon izini qancha kamaytirishini hisoblamaydi.
• Tijoriy seriyali ishlab chiqarish tannarxini yoki umumiy detal tannarxini dala miqyosida tasdiqlamaydi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Tajribada qaysi qotishmalar ishlatildi?

Yuqori tozalikdagi gaz atomizatsiyalangan Ti va Cu kukunlaridan foydalanib besh tarkib tayyorlandi:

• sof Ti,
• Ti-1.5 wt.% Cu,
• Ti-3 wt.% Cu,
• Ti-5 wt.% Cu,
• Ti-7 wt.% Cu.

Kukunlarning zarracha o‘lchami 15–53 µm oralig‘idadir. Qotishma kukunlari Turbula T2F uch o‘lchamli aralashtirgichida 150 rpm tezlikda ikki soat mexanik aralashtirilgan.

L-PBF ishlab chiqarish parametrlari

Namunalar bir lazerli SLM 125HL tizimi bilan himoyalovchi argon atmosferasida ishlab chiqarilgan.

Yakuniy ishlab chiqarish parametrlari avvalgi shakllanuvchanlik va cho‘zilish tajribalari natijasida belgilangan.

Solishtirish uchun klassik ishlab chiqarish ham qilindi

Tadqiqotchilar Ti va ayni Ti-Cu tarkiblarini vakuum ark eritish orqali ham ishlab chiqargan.

Quymalar kimyoviy gomogenlikni oshirish maqsadida besh marta qayta eritilgan. Shu tariqa L-PBF bilan hosil bo‘lgan mikrotuzilmalar faqat kimyoviy tarkibdan emas, ishlab chiqarish kinetikasidan kelib chiqqan-chiqmaganini solishtirish mumkin bo‘lgan.

Mikrotuzilma qaysi usullar bilan o‘rganildi?

Tadqiqotda keng qamrovli ko‘p miqyosli xarakterizatsiya zanjiri qo‘llanilgan:

• X-ray diffraction — XRD,
• Electron Backscatter Diffraction — EBSD,
• Back-Scattered Electron tasvirlash — BSE,
• Transmission Electron Microscopy — TEM,
• Scanning Transmission Electron Microscopy — STEM,
• HAADF-STEM,
• XEDS element xaritalash,
• Electron Energy-Loss Spectroscopy — EELS,
• Atom Probe Tomography — APT,
• Convergent Beam Electron Diffraction — CBED.

Bu usullar yordamida tuzilma mikrometr miqyosidagi donalardan bir necha nanometrli presipitatlargacha va atomik Cu taqsimotigacha kuzatilgan.

Cho‘zilish tajribalari qanday bajarildi?

Cho‘zilish namunalari L-PBF detallaridan sim eroziyasi bilan it suyagi shaklida kesilgan.

O‘lchov sohasi:

• 10 mm uzunlik,
• 2 mm kenglik,
• 2 mm qalinlik

ko‘rinishida tayyorlangan.

Sinovlar xona haroratida `10⁻³ s⁻¹` deformatsiya tezligida bajarilgan va deformatsiya kontaktsiz lazer ekstensometri bilan o‘lchangan.

Har bir qotishma guruhi uchun cho‘zilish tajribasi uch marta takrorlangan.

Asosiy mexanik ko‘rsatkich

Ti-3Cu nima uchun ayniqsa qiziqarli?

Ti-3Cu taxminan %22 uzilishdagi cho‘zilishni saqlagan holda sof Ti bilan solishtirganda mustahkamlikni taxminan:

\[ \frac{940-580}{580}\times100\approx62\% \]

oshiradi.

Shuning uchun Ti-3Cu tadqiqotdagi eng yuqori mutlaq mustahkamlikka ega qotishma emas; biroq mustahkamlik va plastiklik birgalikda baholanganda e’tiborga loyiqdir.

Ti-5Cu’ning mustahkamlik ortishi

Ti-5Cu’ning taxminan 1.340 MPa UTS qiymati sof Ti’dan taxminan:

\[ \frac{1340-580}{580}\times100\approx131\% \]

yuqoriroqdir.

Boshqacha aytganda, yakuniy cho‘zilish mustahkamligi ikki martadan ortiq oshgan holda %12 cho‘zilish saqlangan.

Siqilish mustahkamligi

Manba as-printed Ti-3Cu’ning yakuniy siqilish mustahkamligi taxminan 2.000 MPa ga yaqinlashganini va Cu miqdori ortgani sari yanada oshganini xabar qiladi.

Mualliflar solishtirishiga ko‘ra bu qiymatlar an’anaviy quyish, kovlash va sinterlash yo‘llari bilan ishlab chiqarilgan Ti-Cu tizimlaridan yuqoriroqdir.

η′ zarrachalarining mexanik roli

MD va mikroskopiya natijalari birgalikda baholanganda η′ fazasining ikki xatti-harakati ajralib turadi:

1. Dislokatsiyani muayyan kritik kuchlanishgacha ushlab, mustahkamlikni oshirishi.
2. Yetarli kuchlanishda dislokatsiya tomonidan kesilishi mumkinligi sababli butunlay mo‘rt to‘siq kabi tutmasligi.

Bu ikkinchi xususiyat mustahkamlik–plastiklik uyg‘unligining muhim izohlaridan biridir.

η fazasining mexanik roli

Ti₂Cu η nanopresipitatlari kesilishi qiyinroq bo‘lgan kuchli to‘siqlardir.

Ti-5Cu’da ularning mavjudligi Ti-3Cu’ga nisbatan oqish mustahkamligida taxminan %35 lik ortish bilan bog‘lanadi.

Biroq η ulushi yanada oshganda qattiq va mo‘rt hududlarning ta’siri kuchayadi. Ti-7Cu’da yuqori mustahkamlik bilan birga plastiklikning taxminan %3 ga tushishi bu tendensiyaning chegarasini ko‘rsatadi.

Eng muhim muhandislik natijasi

Tadqiqotning muhandislik jihatidan eng muhim natijasi qotishma dizayni faqat “qaysi elementdan qancha qo‘shishimiz kerak?” savoli bilan cheklanmasligidir.

Bu yerda ishlab chiqarish jarayoni bevosita qotishma dizayn vositasiga aylanadi:

Tarkib + L-PBF termal tarixi → faza o‘zgarishi kinetikasi → lamella va nanopresipitat tuzilmasi → dislokatsiya mexanizmi → mustahkamlik va plastiklik.

Shu sababli ayni nominal Ti-Cu tarkibi klassik ishlab chiqarish va L-PBF bilan ishlab chiqarilganda turli mikrotuzilmalar va natijada turli mexanik xususiyatlar ko‘rsatishi mumkin.

Aviatsiya nuqtayi nazaridan nima deyish mumkin?

Yuqori solishtirma mustahkamlik va past qotishma miqdori Ti-Cu tizimini konstruktiv qo‘llanmalar jihatidan qiziqarli qilishi mumkin. Biroq manba tadqiqoti charchash yorig‘i o‘sishi, yuqori harorat barqarorligi, surilish, shikastlanishga bardoshlilik va haqiqiy aviatsiya komponenti sertifikatsiyasi kabi masalalarni qamrab olmaydi.

Shu sababli natijalar bevosita “Ti-5Cu endi Ti-6Al-4V o‘rnini bosa oladi” degan ma’noni anglatmaydi.

Biotibbiy nuqtayi nazaridan nima deyish mumkin?

Mualliflar Cu’ning bakterial adgeziya va biofilm hosil bo‘lishini kamaytira oladigan antibakterial ta’siriga e’tibor qaratib, Ti-Cu tizimlari implantlar uchun salohiyatga ega ekanini bildiradi.

Biroq bu maqolada:

• bakteriya kulturasi tajribasi,
• sitotoksiklik testi,
• ion ajralishi o‘lchovi,
• in vivo implant tajribasi

xabar qilinmagan.

Demak, biotibbiy foydalanish mexanik natijalar bilan mos keladigan kelajak salohiyatidir; bu tadqiqotning bevosita klinik tasdig‘i emas.

Barqarorlik va xarajat da’vosi qanday talqin qilinishi kerak?

Tadqiqot kam miqdorda qotishma elementi ishlatish qimmat yuqori qotishmali Ti tizimlariga nisbatan iqtisodiyroq va resurs nuqtayi nazaridan soddaroq bo‘lishi mumkinligini ilgari suradi. Supplementary Information ichida material xarajatlari solishtirilgan va Ti-Cu tizimlari kuchli mustahkamlik–xarajat muvozanati ko‘rsatgani bildirilgan.

Shu bilan birga tadqiqot to‘liq hayot sikli baholashini bajarmagan. L-PBF’ning:

• elektr iste’moli,
• kukun ishlab chiqarish energiyasi,
• argon ishlatilishi,
• post-processing ehtiyoji,
• qayta ishlash,
• detal boshiga CO₂ ekvivalenti

o‘lchanmagan.

Shu sababli “barqaror” iborasi bu yerda past qotishma tarkibi va potensial material/xarajat ustunligi kontekstida baholanishi kerak.

Türkiye nuqtayi nazaridan qanday baholanishi kerak?

Tadqiqotda Türkiye’da ishlab chiqarilgan kukun, L-PBF tizimi, laboratoriya yoki sanoat detali mavjud emas. Shu bois xabar qilingan mexanik ko‘rsatkichlar Türkiye’dagi biror ishlab chiqarish liniyasida avtomatik takrorlanadi deb aytib bo‘lmaydi.

Mahalliy tasdiqlash uchun Ti va Cu kukunlarining tozaligi, zarracha o‘lchami, kislorod miqdori, lazer quvvati, skanerlash tezligi, hatch spacing, mashina atmosferasi va termal tarix kabi o‘zgaruvchilar manba tadqiqotiga mos tarzda nazorat qilinishi kerak.

Ayniqsa aviatsiya yoki tibbiy qo‘llanmada faqat cho‘zilish mustahkamligi yetarli bo‘lmagani uchun charchash, sinish qovushqoqligi, korroziya, biouyg‘unlik va jarayon takrorlanuvchanligi ham alohida tasdiqlanishi lozim.

Manba va Usul Haqida Izoh

To‘liq asl tadqiqot nomi: Ultra-strong and ductile low-alloy titanium by additive manufacturing

Mualliflar: Chuanxi Ren, Hao Wang, Xiangyuan Cui, Jinjin Guo, Hansheng Chen, Zizheng Song, Hengchao Shi, Yating Ran, Chunjin Wang, Chi Fai Cheung, Hongwei Liu, Kang Cheung Chan, Xiaozhou Liao, Ting Zhu, Dengke Chen, Simon P. Ringer, Zibin Chen.

Teng hissa qo‘shgan birinchi mualliflar: Chuanxi Ren va Hao Wang.

Mas’ul mualliflar: Ting Zhu, Dengke Chen, Simon P. Ringer va Zibin Chen.

Muassasa 1: State Key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology, Department of Industrial and Systems Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China.

Muassasa 2: Research Institute for Advanced Manufacturing, Department of Industrial and Systems Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China.

Muassasa 3: School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering, The University of Sydney, New South Wales, Australia.

Muassasa 4: Australian Centre for Microscopy & Microanalysis, The University of Sydney, New South Wales, Australia.

Muassasa 5: Department of Engineering Mechanics, School of Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China.

Muassasa 6: Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA.

Manba turi: Taqrizdan o‘tgan eksperimental va hisoblash materialshunosligi tadqiqot maqolasi.

Jurnal: Materials Today.

Jild: 96.

Maqola raqami: 103329.

DOI: 10.1016/j.mattod.2026.103329

Yuborilgan sana: 10 sentyabr 2025.

Reviziya sanasi: 1 aprel 2026.

Qabul qilingan sana: 2 aprel 2026.

Onlayn nashr: 7 aprel 2026.

Jurnal jildi: Iyul 2026 bibliografik qaydi.

Rasmiy DOI havolasi: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103329

Taqriz holati: Materials Today’da chop etilgan taqrizdan o‘tgan akademik tadqiqot maqolasidir.

Litsenziya: Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International — CC BY-NC 4.0.

Preprint holati: Ko‘rib chiqilgan hujjat Materials Today’da yakuniy chop etilgan maqoladir.

Asosiy tajriba yondashuvi: Sof Ti va Ti-1.5Cu, Ti-3Cu, Ti-5Cu va Ti-7Cu qotishmalarini L-PBF bilan ishlab chiqarish; klassik ark eritish solishtirishlari; XRD, EBSD, BSE, TEM, STEM, XEDS, EELS, CBED va APT mikrotuzilma xarakterizatsiyasi; cho‘zilish va siqilish tajribalari; DFT va molekulyar dinamika hisob-kitoblari.

Cho‘zilish tajribasi takrori: Har bir Ti/Ti-Cu guruhi uch marta sinovdan o‘tkazilgan.

Asosiy L-PBF sharti: 350 W lazer quvvati va 800 mm/s skanerlash tezligi; 80 µm spot diametri, 30 µm qatlam qalinligi, 105 µm hatch spacing va 90° qatlam rotatsiyasi.

Ma’lumotlar mavjudligi: Mualliflar maqola natijalarini baholash uchun zarur ma’lumotlar maqola va/yoki Supplementary Information ichida mavjudligini, qo‘shimcha ma’lumotlar mualliflardan so‘rov asosida olinishi mumkinligini bildirgan. Maqolaning Data Availability qaydi ma’lumotlar so‘rov bo‘yicha taqdim etilishini bildiradi.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar tadqiqotga ta’sir qilishi mumkin bo‘lgan ma’lum moliyaviy manfaat yoki shaxsiy munosabat yo‘qligini bayon qilgan.

Moliyalashtirish: Tadqiqot Shenzhen Municipal Science and Technology Innovation Commission, Hong Kong Polytechnic University dasturlari, Hong Kong Innovation and Technology Commission, National Natural Science Foundation of China, Natural Science Foundation of Shanghai, AXA Foundation for Human Progress va Australian Research Council kabi bir nechta manbalar tomonidan qo‘llab-quvvatlangan.

Muallif hissalari: Zibin Chen va Simon P. Ringer loyihani konseptuallashtirgan va boshqargan. Chuanxi Ren namuna ishlab chiqarish, mexanik tajribalar va asosiy xarakterizatsiyani bajargan. Hao Wang HAADF-STEM; Ting Zhu, Dengke Chen va Jinjin Guo MD; Xiangyuan Cui DFT; Hansheng Chen APT ishlarida ishtirok etgan. Boshqa mualliflar mikroskopiya, tahlil, manba va natijalarni talqin qilishga hissa qo‘shgan. Batafsil CRediT rollari manbada alohida berilgan.

HSLA-Ti ta’rif chegarasi: HSLA-Ti ushbu tadqiqotda mualliflar taklif qilgan dizayn ta’rifidir: taxminan ≤5 wt.% jami qotishma, UTS > 800 MPa va umumiy cho‘zilish > %10. Shu sababli Ti-3Cu va Ti-5Cu mezonlarga mos keladi, Ti-7Cu esa tadqiqot ichidagi yuqori mustahkamlikdagi solishtirma tarkibdir, ammo taklif etilgan HSLA-Ti chegaralari ichida emas.

MD manba ichidagi nomuvofiqligi: 5-rasm va muhokama bo‘limida η′ nanopresipitat diametri D = 4 nm va oraliq S = 20 nm deb ko‘rsatilgan bo‘lsa, Methods bo‘limidagi birinchi edge-dislocation MD modeli tavsifida zarracha diametri 6 nm deb beriladi. Manba bu farqni tushuntirmaydi. Bundan tashqari, muhokamada deformatsiya tezligi taxminan 10⁸ s⁻¹ deb yaxlitlangan bo‘lsa, Methods bo‘limida 2 × 10⁸ s⁻¹ ishlatilgan.

Antibakterial chegara: Natija bo‘limida Cu’ning antibakterial xususiyatlari implant qo‘llanmalari nuqtayi nazaridan potensial ustunlik ekani aytiladi; bu tadqiqotda antibakterial yoki biofilm tajribalari bajarilmagan.

Barqarorlik chegarasi: Mualliflar past qotishma tarkibi va nisbatan past material xarajatini yanada barqaror Ti tizimlari ishlab chiqish salohiyati bilan bog‘laydi. Tadqiqotda hayot sikli tahlili, bevosita energiya balansi yoki karbon emissiyasi o‘lchovi bajarilmagan.

Ilmiy mazmun chegarasi: Ushbu Verianla maqolasidagi tarkiblar, mexanik qiymatlar, mikrotuzilma o‘lchamlari, nanopresipitat xususiyatlari, ishlab chiqarish parametrlari, DFT/MD natijalari va talqinlar asl tadqiqotga asoslanadi. Tashqi manbalar faqat bibliografik identifikatsiya hamda taqriz/nashr holatini tasdiqlash uchun ishlatilgan.