Дослідники RMIT і Сіднейського університету у співпраці з Гонконзьким політехнічним університетом і підрозділом Manufacturing Intelligence шведської компанії-розробника програмного забезпечення Hexagon успішно розробили новий матеріал із титанового сплаву. Це досягнення відкриває нові можливості для застосування титанових сплавів у багатьох галузях і дає корисні наслідки для реалізації більш екологічних методів виробництва.
△Схематична діаграма мікроструктури титанового сплаву, надрукована методом лазерного нанесення енергії 3D
Що робить новий 3D-друкований титановий сплав?
Цей титановий сплав є міцним, пластичним, регульованим і стійким. Витрати на традиційне виробництво титанових сплавів є високими, і це дослідження пропонує потенціал для нових високоефективних титанових сплавів із застосуванням в аерокосмічній галузі, біомедицині, хімічній інженерії, космосі та енергетиці, серед інших галузей.
Дослідницька група використала комбінацію сплаву та процесу 3D-друку, щоб 3D-друк цього нового титанового сплаву з металевого порошку використовуючи технологію лазерного спрямованого осадження енергії (L-DED). Цей інноваційний виробничий процес робить виробництво титанових сплавів більш екологічним і доступним.
△Tingting Song (ліворуч) і Ма Цянь (праворуч)
Провідний дослідник професор Ма Цянь з Університету RMIT сказав, що вони включили концепцію циркулярної економіки в дизайн. Новий сплав можна виробляти з використанням брухту та низькоякісних матеріалів без дорогих добавок, таких як ванадій та алюміній, але з дешевим і багатим киснем і залізом.
«Повторне використання відходів і матеріалів низької якості має потенціал для збільшення економічної цінності та зменшення високого вуглецевого сліду титанової промисловості», — пояснив професор Цянь.
Провідним автором дослідження є Тінгтінг Сонг, докторант RMIT. Вона сказала, що команда перебуває на важливому етапі від перевірки своєї нової концепції до реалізації промислових застосувань.
Сонг додав: «У нас є підстави радіти тому, що 3D-друк пропонує зовсім інший спосіб виготовлення нових сплавів із явними перевагами перед традиційними методами. Існує потенційна можливість для промисловості скористатися нашим методом». Повторне використання відходів феротитанової губки, «некондиційного» переробленого титанового порошку з високим вмістом кисню або титанового порошку, виготовленого з відходів титану з високим вмістом кисню».
△Цю дослідницьку статтю було опубліковано в журналі «Nature», а назва дослідження — «Реалізація міцних і міцних сплавів оксиду заліза та титану за допомогою 3D-друку».
Проблеми розробки нових сплавів
Сплав команди складається з двох форм кристалів титану, суміші альфа-титанової фази та бета-титанової фази, відомої як Ti-6Al-4V. Кожна форма відповідає певному розташуванню атомів.
Ti-6Al-4V є найпоширенішим титановим сплавом, у традиційних методах виробництва якого використовується 6 відсотків алюмінію та 4 відсотки ванадію, що становить понад 50 відсотків ринку титанових сплавів. У новому дослідженні використовувалися кисень і залізо замість алюмінію і ванадію. На додаток до легкодоступності та відносно низької вартості, ці елементи є двома найефективнішими стабілізаторами та зміцнювачами -титанової та -титанової фаз.
Традиційно титанові сплави з високим вмістом титану та кисню стикаються з проблемами розробки та впровадження.
Цянь прокоментував: «Одна проблема полягає в тому, що кисень, який просто називають «криптоніт титану», спричиняє крихкість титану; інша проблема полягає в тому, що додавання заліза може призвести до серйозних дефектів у морфології великих листів -титанової фази».
△ Команда успішно реалізувала 3D-друк мікроструктури атомного рівня на межі розділу фаз нового сплаву за допомогою технології лазерного направленого осадження енергії (L-DED).
Використання технології 3D-друку L-DED дозволяє дослідникам успішно долати труднощі
3D-друк L-DED часто використовується для створення великих і складних деталей, і це дозволяє вченим налаштовувати механічні властивості сплавів. Їм вдалося створити нанорозмірні кристали титану в сплаві з точним контролем розподілу атомів кисню та заліза. Це робить певні ділянки сплаву дуже міцними, а інші – пластичними, що гарантує, що матеріал не стане крихким під час навантаження.
Команда використовувала модуль DED у програмному забезпеченні Hexagon Simufact Welding для 3D-друку та тестування серії таких компонентів. Після тестування дослідники виявили, що їх сплав можна порівняти з іншими комерційними титановими сплавами за пластичністю та міцністю.
Співпровідник дослідників, професор Саймон Рінгер з Університету Сіднея, пояснив: "Ключовим фактором є унікальний розподіл атомів кисню та заліза між фазами альфа-титану та бета-титану та всередині них. Градієнт високого рівня кисню, включаючи сильний високий -кисневих областей і пластичних областей з низьким вмістом кисню, дозволяє нам контролювати локальні атомні зв'язки і, таким чином, полегшити проблему крихкості.
