Investigadors de la RMIT i la Universitat de Sydney, en col·laboració amb la Universitat Politècnica de Hong Kong i la divisió d'Intel·ligència de fabricació del desenvolupador de programari suec Hexagon, han desenvolupat amb èxit un nou material d'aliatge de titani. Aquest assoliment de la investigació obre noves possibilitats per a l'aplicació d'aliatges de titani en múltiples camps i proporciona implicacions beneficioses per a la realització de mètodes de fabricació més sostenibles.
△Diagrama esquemàtic de la microestructura de l'aliatge de titani imprès per deposició d'energia dirigida per làser 3D
Què fa el nou aliatge de titani imprès en 3D?
Aquest aliatge de titani és fort, mal·leable, ajustable i sostenible. El cost de la fabricació convencional d'aliatges de titani és elevat, i aquesta investigació ofereix el potencial de nous aliatges de titani d'alt rendiment amb aplicacions en aeroespacial, biomedicina, enginyeria química, espai i energia, entre altres camps.
L'equip d'investigació va utilitzar una combinació d'aliatge i disseny de procés d'impressió en 3D per imprimir en 3D aquest nou aliatge de titani a partir de pols metàl·lica mitjançant la tecnologia de deposició d'energia dirigida per làser (L-DED). Aquest innovador procés de fabricació fa que la producció d'aliatges de titani sigui més sostenible i assequible.
△Tingting Song (esquerra) i Ma Qian (dreta)
La professora investigadora principal Ma Qian de la Universitat RMIT va dir que van incorporar el concepte d'economia circular al disseny. El nou aliatge es pot produir amb ferralla i materials de baixa qualitat, sense additius costosos com el vanadi i l'alumini, però amb oxigen i ferro barats i abundants.
"La reutilització de residus i materials de baixa qualitat té el potencial d'afegir valor econòmic i reduir l'alta petjada de carboni de la indústria del titani", va explicar el professor Qian.
L'autor principal de l'estudi és Tingting Song, estudiant de doctorat a RMIT. Va dir que l'equip es troba en una etapa important des de la validació del seu nou concepte fins a la realització d'aplicacions industrials.
Song va afegir: "Tenim motius per entusiasmar-nos que la impressió 3D ofereix una manera completament diferent de fer nous aliatges amb avantatges clars sobre els mètodes tradicionals. Hi ha una oportunitat potencial perquè la indústria aprofiti el nostre mètode". Reutilització de residus d'esponja de ferro-titani, pols de titani amb alt oxigen reciclat "fora d'especificacions" o pols de titani feta amb titani amb gran quantitat d'oxigen.
△El document d'investigació s'ha publicat a la revista "Nature" i el títol de la investigació és "Realizing Strong and Tough Iron Iron Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing"
Reptes en el desenvolupament de nous aliatges
L'aliatge de l'equip consta de dues formes de cristalls de titani, una barreja de la fase alfa-titani i la fase beta-titani, coneguda com Ti-6Al{-4V. Cada forma correspon a una disposició específica d'àtoms.
El Ti-6Al-4V és l'aliatge de titani més comú, utilitza un 6% d'alumini i un 4% de vanadi en els mètodes de producció tradicionals, que representa més del 50% del mercat d'aliatge de titani. El nou estudi va utilitzar oxigen i ferro en lloc d'alumini i vanadi. A més de ser fàcilment disponibles i de cost relativament baix, aquests elements són els dos estabilitzadors i reforçadors més efectius de les fases -titani i -titani.
Tradicionalment, els aliatges de titani que contenen alts nivells de titani i oxigen s'han enfrontat a reptes de desenvolupament i adopció.
Qian va comentar: "Un repte és que l'oxigen, descrit col·loquialment com a" kriptonita de titani ", fa que el titani es torni trencadís; un altre repte és que l'addició de ferro pot provocar defectes greus en la morfologia de grans làmines de fase de titani".
△L'equip va realitzar amb èxit la impressió en 3D de la microestructura a nivell atòmic a la interfície de fase del nou aliatge mitjançant la tecnologia de deposició d'energia dirigida per làser (L-DED).
L'ús de la tecnologia d'impressió 3D L-DED permet als investigadors superar amb èxit els reptes
La impressió 3D L-DED s'utilitza sovint per crear peces grans i complexes i permet als científics ajustar les propietats mecàniques dels aliatges. Van aconseguir crear cristalls de titani a nanoescala a l'aliatge amb un control precís sobre la distribució d'àtoms d'oxigen i ferro. Això fa que certes zones de l'aliatge siguin molt resistents, mentre que d'altres siguin dúctils, assegurant que el material no es torni trencadís quan està tensat.
L'equip va utilitzar el mòdul DED del programari Simufact Welding d'Hexagon per imprimir i provar una sèrie d'aquests components en 3D. Després de les proves, els investigadors van trobar que el seu aliatge era comparable a altres aliatges comercials de titani en ductilitat i resistència.
El professor Simon Ringer, co-investigador principal, de la Universitat de Sydney, va explicar: "L'activador clau és la distribució única dels àtoms d'oxigen i ferro entre i dins de les fases de titani alfa i beta-titani. El gradient d'oxigen d'alt nivell, inclòs un fort alt nivell. -regions d'oxigen i regions dúctils baixes en oxigen, ens permet controlar l'enllaç atòmic local i pal·liar així el problema de fragilitat.
