I ricercatori della RMIT e dell'Università di Sydney, in collaborazione con la Hong Kong Polytechnic University e la divisione Manufacturing Intelligence dello sviluppatore di software svedese Hexagon, hanno sviluppato con successo un nuovo materiale in lega di titanio. Questo risultato della ricerca apre nuove possibilità per l'applicazione delle leghe di titanio in molteplici campi e fornisce implicazioni vantaggiose per la realizzazione di metodi di produzione più sostenibili.
△ Diagramma schematico della microstruttura della lega di titanio stampata mediante deposizione di energia diretta al laser 3D
Cosa fa la nuova lega di titanio stampata in 3D?
Questa lega di titanio è forte, malleabile, regolabile e sostenibile. Il costo della produzione convenzionale di leghe di titanio è elevato e questa ricerca offre il potenziale per nuove leghe di titanio ad alte prestazioni con applicazioni nei settori aerospaziale, biomedicina, ingegneria chimica, spazio ed energia, tra gli altri campi.
Il team di ricerca ha utilizzato una combinazione di design della lega e del processo di stampa 3D per stampare in 3D questa nuova lega di titanio da polvere metallica utilizzando la tecnologia di deposizione di energia diretta al laser (L-DED). Questo innovativo processo produttivo rende la produzione di leghe di titanio più sostenibile e conveniente.
△Tingting Song (a sinistra) e Ma Qian (a destra)
Il capo ricercatore, il professor Ma Qian della RMIT University, ha affermato di aver incorporato il concetto di economia circolare nel design. La nuova lega può essere prodotta utilizzando rottami e materiali di bassa qualità, senza additivi costosi come vanadio e alluminio, ma con ossigeno e ferro economici e abbondanti.
"Il riutilizzo di rifiuti e materiali di bassa qualità ha il potenziale per aggiungere valore economico e ridurre l'elevata impronta di carbonio dell'industria del titanio", ha spiegato il professor Qian.
L'autore principale dello studio è Tingting Song, uno studente di dottorato presso RMIT. Ha detto che il team è in una fase importante dalla convalida del loro nuovo concetto alla realizzazione di applicazioni industriali.
Song ha aggiunto: "Abbiamo motivo di essere entusiasti del fatto che la stampa 3D offra un modo completamente diverso di creare nuove leghe con chiari vantaggi rispetto ai metodi tradizionali. Esiste una potenziale opportunità per l'industria di trarre vantaggio dal nostro metodo". Riutilizzo di spugne di ferro-titanio di scarto, polvere di titanio ad alto contenuto di ossigeno riciclata "fuori specifica" o polvere di titanio ricavata da titanio di scarto ad alto contenuto di ossigeno.
△ Il documento di ricerca è stato pubblicato sulla rivista "Nature" e il titolo della ricerca è "Realizing Strong and Tough Iron Titanium Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing"
Sfide nello sviluppo di nuove leghe
La lega del team è costituita da due forme di cristalli di titanio, una miscela della fase alfa-titanio e della fase beta-titanio, nota come Ti-6Al-4V. Ogni forma corrisponde a una disposizione specifica di atomi.
Ti-6Al-4V è la lega di titanio più comune, che utilizza il 6% di alluminio e il 4% di vanadio nei metodi di produzione tradizionali, rappresentando oltre il 50% del mercato delle leghe di titanio. Il nuovo studio ha utilizzato ossigeno e ferro invece di alluminio e vanadio. Oltre ad essere prontamente disponibili ea un costo relativamente basso, questi elementi sono i due più efficaci stabilizzatori e rinforzi delle fasi -titanio e -titanio.
Tradizionalmente, le leghe di titanio contenenti alti livelli di titanio e ossigeno hanno dovuto affrontare sfide di sviluppo e adozione.
Qian ha commentato: "Una sfida è che l'ossigeno, colloquialmente descritto come 'kryptonite di titanio', fa diventare fragile il titanio; un'altra sfida è che l'aggiunta di ferro può portare a gravi difetti nella morfologia di grandi lastre di fase -titanio".
△ Il team ha realizzato con successo la stampa 3D della microstruttura a livello atomico sull'interfaccia -fase della nuova lega attraverso la tecnologia di deposizione di energia diretta al laser (L-DED)
L'utilizzo della tecnologia di stampa 3D L-DED consente ai ricercatori di superare con successo le sfide
La stampa 3D L-DED viene spesso utilizzata per creare parti grandi e complesse e consente agli scienziati di regolare le proprietà meccaniche delle leghe. Sono riusciti a creare cristalli di titanio su scala nanometrica nella lega con un controllo preciso sulla distribuzione di ossigeno e atomi di ferro. Ciò rende alcune aree della lega molto resistenti, mentre altre sono duttili, assicurando che il materiale non diventi fragile quando viene sollecitato.
Il team ha utilizzato il modulo DED nel software Simufact Welding di Hexagon per stampare in 3D e testare una serie di tali componenti. Dopo i test, i ricercatori hanno scoperto che la loro lega era paragonabile ad altre leghe di titanio commerciali per duttilità e resistenza.
Il ricercatore co-responsabile, il professor Simon Ringer dell'Università di Sydney, ha spiegato: "L'attivatore chiave è la distribuzione unica di atomi di ossigeno e ferro tra e all'interno delle fasi alfa-titanio e beta-titanio. Il gradiente di ossigeno ad alto livello, incluso un forte elevato -regioni di ossigeno e regioni duttili a basso contenuto di ossigeno, ci consente di controllare il legame atomico locale e quindi alleviare il problema della fragilità.
