Cercetătorii de la RMIT și de la Universitatea din Sydney, în colaborare cu Universitatea Politehnică din Hong Kong și divizia de Manufacturing Intelligence a dezvoltatorului suedez de software Hexagon, au dezvoltat cu succes un nou material din aliaj de titan. Această realizare a cercetării deschide noi posibilități pentru aplicarea aliajelor de titan în multiple domenii și oferă implicații benefice pentru realizarea unor metode de fabricație mai durabile.
△ Diagrama schematică a microstructurii aliajului de titan imprimată prin depunere de energie direcționată cu laser 3D
Ce face noul aliaj de titan imprimat 3D?
Acest aliaj de titan este puternic, maleabil, reglabil și durabil. Costul fabricării convenționale a aliajelor de titan este ridicat, iar această cercetare oferă potențialul pentru noi aliaje de titan de înaltă performanță cu aplicații în aerospațial, biomedicină, inginerie chimică, spațiu și energie, printre alte domenii.
Echipa de cercetare a folosit o combinație de aliaj și proiectarea procesului de imprimare 3D pentru a imprima 3D acest nou aliaj de titan din pulbere metalică folosind tehnologia de depunere a energiei direcționate cu laser (L-DED). Acest proces inovator de fabricație face producția de aliaje de titan mai durabilă și mai accesibilă.
△Tingting Song (stânga) și Ma Qian (dreapta)
Cercetătorul principal, profesorul Ma Qian de la Universitatea RMIT, a spus că au încorporat conceptul de economie circulară în design. Noul aliaj poate fi produs folosind deșeuri și materiale de calitate scăzută, fără aditivi costisitori precum vanadiu și aluminiu, dar cu oxigen și fier ieftin și abundent.
„Reutilizarea deșeurilor și a materialelor de calitate scăzută are potențialul de a adăuga valoare economică și de a reduce amprenta mare de carbon a industriei titanului”, a explicat profesorul Qian.
Autorul principal al studiului este Tingting Song, doctorand la RMIT. Ea a spus că echipa se află într-un stadiu important de la validarea noului concept până la realizarea aplicațiilor industriale.
Song a adăugat: „Avem motive să fim încântați că imprimarea 3D oferă o modalitate complet diferită de a face aliaje noi, cu avantaje clare față de metodele tradiționale. Există o oportunitate potențială pentru industria de a profita de metoda noastră”. Reutilizarea deșeurilor de burete de fero-titan, pulbere de titan reciclată „în afara specificațiilor” cu conținut ridicat de oxigen sau pulbere de titan realizată din deșeuri de titan cu conținut ridicat de oxigen.”
△ Lucrarea de cercetare a fost publicată în revista „Nature”, iar titlul cercetării este „Realizing Strong and Tough Iron Titanium Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing”
Provocări în dezvoltarea de noi aliaje
Aliajul echipei constă din două forme de cristale de titan, un amestec de faza de alfa-titan și faza de beta-titan, cunoscută sub numele de Ti-6Al{-4V. Fiecare formă corespunde unui aranjament specific de atomi.
Ti-6Al-4V este cel mai comun aliaj de titan, folosind 6% aluminiu și 4% vanadiu în metodele tradiționale de producție, reprezentând mai mult de 50% din piața aliajelor de titan. Noul studiu a folosit oxigen și fier în loc de aluminiu și vanadiu. Pe lângă faptul că sunt ușor disponibile și costuri relativ scăzute, aceste elemente sunt cei mai eficienți doi stabilizatori și întăritori ai fazelor -titan și -titan.
În mod tradițional, aliajele de titan care conțin niveluri ridicate de titan și oxigen s-au confruntat cu provocări de dezvoltare și adoptare.
Qian a comentat: „O provocare este că oxigenul, descris în mod colocvial drept „kryptonita de titan”, face ca titanul să devină casant; o altă provocare este că adăugarea de fier poate duce la defecte grave în morfologia foilor mari de fază de titan”.
△Echipa a realizat cu succes imprimarea 3D a microstructurii la nivel atomic pe interfața de fază - a noului aliaj prin tehnologia de depunere a energiei direcționate cu laser (L-DED)
Utilizarea tehnologiei de imprimare 3D L-DED le permite cercetătorilor să depășească cu succes provocările
Imprimarea 3D L-DED este adesea folosită pentru a crea piese mari și complexe și le permite oamenilor de știință să ajusteze proprietățile mecanice ale aliajelor. Ei au reușit să creeze cristale de titan la scară nanometrică în aliaj cu control precis asupra distribuției atomilor de oxigen și fier. Acest lucru face ca anumite zone ale aliajului să fie foarte puternice, în timp ce altele sunt ductile, asigurând că materialul nu devine casant atunci când este solicitat.
Echipa a folosit modulul DED din software-ul Hexagon Simufact Welding pentru a imprima 3D și a testa o serie de astfel de componente. După testare, cercetătorii au descoperit că aliajul lor era comparabil cu alte aliaje comerciale de titan ca ductilitate și rezistență.
Co-conducător de cercetare, profesorul Simon Ringer de la Universitatea din Sydney, a explicat: „Facilitatorul cheie este distribuția unică a atomilor de oxigen și fier între și în cadrul fazelor de alfa-titan și beta-titan. Gradientul de oxigen de nivel înalt, inclusiv puternic -regiunile de oxigen și regiunile ductile cu oxigen scăzut, ne permite să controlăm legătura atomică locală și astfel să atenuăm problema fragilității.
