Forskere ved RMIT og University of Sydney har i samarbeid med Hong Kong Polytechnic University og Manufacturing Intelligence-avdelingen til den svenske programvareutvikleren Hexagon utviklet et nytt titanlegeringsmateriale. Denne forskningsprestasjonen åpner for nye muligheter for anvendelse av titanlegeringer på flere felt og gir gunstige implikasjoner for realiseringen av mer bærekraftige produksjonsmetoder.
△Skjematisk diagram av mikrostrukturen til titanlegering trykt ved laserrettet energiavsetning 3D
Hva gjør den nye 3D-trykte titanlegeringen?
Denne titanlegeringen er sterk, formbar, justerbar og bærekraftig. Kostnaden for konvensjonell produksjon av titanlegeringer er høy, og denne forskningen gir potensialet for nye høyytelses titanlegeringer med applikasjoner innen blant annet romfart, biomedisin, kjemiteknikk, rom og energi.
Forskerteamet brukte en kombinasjon av legerings- og 3D-utskriftsprosessdesign for å 3D-printe denne nye titanlegeringen fra metallpulver ved bruk av laserrettet energiavsetning (L-DED) teknologi. Denne innovative produksjonsprosessen gjør produksjonen av titanlegeringer mer bærekraftig og rimelig.
△Tingting Song (til venstre) og Ma Qian (høyre)
Hovedforsker professor Ma Qian fra RMIT University sa at de inkorporerte konseptet sirkulær økonomi i designet. Den nye legeringen kan produseres ved bruk av skrap og lavkvalitetsmaterialer, uten kostbare tilsetningsstoffer som vanadium og aluminium, men med billig og rikelig med oksygen og jern.
"Gjenbruk av avfall og materialer av lav kvalitet har potensial til å tilføre økonomisk verdi og redusere det høye karbonavtrykket til titanindustrien," forklarte professor Qian.
Studiens hovedforfatter er Tingting Song, en doktorgradsstudent ved RMIT. Hun sa at teamet er på et viktig stadium fra å validere sitt nye konsept til å realisere industrielle applikasjoner.
Song la til: "Vi har grunn til å være begeistret over at 3D-printing tilbyr en helt annen måte å lage nye legeringer på med klare fordeler i forhold til tradisjonelle metoder. Det er en potensiell mulighet for industrien til å dra nytte av metoden vår." Gjenbruk av avfallsferrotitansvamp, "off-spec" resirkulert titanpulver med høyt oksygen, eller titanpulver laget av titanavfall med høyt oksygen.
△Forskningsoppgaven er publisert i tidsskriftet "Nature", og forskningstittelen er "Realizing Strong and Tough Iron Titanium Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing"
Utfordringer med å utvikle nye legeringer
Lagets legering består av to former for titankrystaller, en blanding av alfa-titanfasen og beta-titanfasen, kjent som Ti-6Al-4V. Hver form tilsvarer et bestemt arrangement av atomer.
Ti-6Al-4V er den vanligste titanlegeringen, og bruker 6 prosent aluminium og 4 prosent vanadium i tradisjonelle produksjonsmetoder, og står for mer enn 50 prosent av titanlegeringsmarkedet. Den nye studien brukte oksygen og jern i stedet for aluminium og vanadium. I tillegg til å være lett tilgjengelige og relativt lave kostnader, er disse elementene de to mest effektive stabilisatorene og forsterkerne av -titan- og -titanfasene.
Tradisjonelt har titanlegeringer som inneholder høye nivåer av titan og oksygen møtt utviklings- og bruksutfordringer.
Qian kommenterte: "En utfordring er at oksygen, i daglig tale beskrevet som 'titans kryptonitt', får titan til å bli sprøtt; en annen utfordring er at tilsetning av jern kan føre til alvorlige defekter i morfologien til store plater av titanfase."
△Teamet realiserte vellykket 3D-utskrift av mikrostruktur på atomnivå på fasegrensesnittet til den nye legeringen gjennom laserrettet energiavsetning (L-DED) teknologi
Å bruke L-DED 3D-utskriftsteknologi gjør det mulig for forskere å overvinne utfordringer
L-DED 3D-utskrift brukes ofte til å lage store og komplekse deler, og det lar forskere justere de mekaniske egenskapene til legeringer. De lyktes i å lage titankrystaller i nanoskala i legeringen med presis kontroll over fordelingen av oksygen- og jernatomer. Dette gjør visse områder av legeringen veldig sterke, mens andre er formbare, noe som sikrer at materialet ikke blir sprøtt når det belastes.
Teamet brukte DED-modulen i Hexagons Simufact Welding-programvare for å 3D-printe og teste en serie slike komponenter. Etter testing fant forskerne at legeringen deres var sammenlignbar med andre kommersielle titanlegeringer i duktilitet og styrke.
Medlederforsker professor Simon Ringer fra University of Sydney forklarte: "Nøkkelen muliggjører er den unike fordelingen av oksygen- og jernatomer mellom og innenfor alfa-titan- og beta-titan-fasene. Oksygengradienten på høyt nivå, inkludert sterk høy, høy -oksygenregioner og duktile lavoksygenregioner, lar oss kontrollere lokal atombinding og dermed lindre sprøhetsproblemet.
