Исследователи из RMIT и Сиднейского университета в сотрудничестве с Гонконгским политехническим университетом и подразделением производственной разведки шведского разработчика программного обеспечения Hexagon успешно разработали новый материал из титанового сплава. Это исследовательское достижение открывает новые возможности для применения титановых сплавов во многих областях и обеспечивает полезные последствия для реализации более устойчивых методов производства.
△Схема микроструктуры титанового сплава, напечатанная методом направленного лазерного осаждения энергии 3D
Что делает новый титановый сплав, напечатанный на 3D-принтере?
Этот титановый сплав является прочным, ковким, регулируемым и устойчивым. Стоимость традиционного производства титановых сплавов высока, и это исследование предлагает потенциал для новых высокоэффективных титановых сплавов для применения в аэрокосмической, биомедицинской, химической инженерии, космосе и энергетике, среди других областей.
Исследовательская группа использовала комбинацию сплава и дизайна процесса 3D-печати для 3D-печати этого нового титанового сплава из металлического порошка с использованием технологии лазерного направленного осаждения энергии (L-DED). Этот инновационный производственный процесс делает производство титановых сплавов более устойчивым и доступным.
△Tingting Song (слева) и Ma Qian (справа)
Ведущий исследователь профессор Ма Цянь из Университета RMIT сказал, что они включили в дизайн концепцию экономики замкнутого цикла. Новый сплав можно производить из металлолома и низкокачественных материалов без дорогостоящих добавок, таких как ванадий и алюминий, но с дешевыми и обильными кислородом и железом.
«Повторное использование отходов и низкокачественных материалов может повысить экономическую ценность и уменьшить высокий углеродный след титановой промышленности», — пояснил профессор Цянь.
Ведущим автором исследования является Тинтин Сонг, аспирант RMIT. Она сказала, что команда находится на важном этапе от проверки своей новой концепции до реализации промышленных приложений.
Сонг добавил: «У нас есть основания радоваться тому, что 3D-печать предлагает совершенно другой способ изготовления новых сплавов с явными преимуществами по сравнению с традиционными методами. У промышленности есть потенциальная возможность воспользоваться нашим методом». Повторное использование отходов ферротитановой губки, «некондиционного» переработанного высококислородного титанового порошка или титанового порошка, изготовленного из высококислородных отходов титана».
△Эта исследовательская статья была опубликована в журнале Nature под названием «Получение прочных и прочных сплавов оксида железа и титана с помощью 3D-печати».
Проблемы разработки новых сплавов
Сплав команды состоит из двух форм кристаллов титана, смеси альфа-титановой фазы и бета-титановой фазы, известной как Ti-6Al-4V. Каждая форма соответствует определенному расположению атомов.
Ti-6Al-4V — наиболее распространенный титановый сплав, в котором в традиционных методах производства используется 6 % алюминия и 4 % ванадия, что составляет более 50 % рынка титановых сплавов. В новом исследовании вместо алюминия и ванадия использовались кислород и железо. Помимо доступности и относительно низкой стоимости, эти элементы являются двумя наиболее эффективными стабилизаторами и упрочнителями -титановой и -титановой фаз.
Традиционно титановые сплавы с высоким содержанием титана и кислорода сталкивались с проблемами при разработке и внедрении.
Цянь прокомментировал: «Одна проблема заключается в том, что кислород, который в просторечии называют «титановым криптонитом», делает титан хрупким; другая проблема заключается в том, что добавление железа может привести к серьезным дефектам морфологии больших листов -титановой фазы».
△Команда успешно реализовала 3D-печать микроструктуры атомного уровня на границе раздела фаз нового сплава с помощью технологии лазерного направленного осаждения энергии (L-DED).
Использование технологии 3D-печати L-DED позволяет исследователям успешно преодолевать трудности
3D-печать L-DED часто используется для создания больших и сложных деталей и позволяет ученым настраивать механические свойства сплавов. Им удалось создать наноразмерные кристаллы титана в сплаве с точным контролем распределения атомов кислорода и железа. Это делает некоторые участки сплава очень прочными, а другие — пластичными, благодаря чему материал не становится хрупким при нагрузке.
Команда использовала модуль DED в программном обеспечении Hexagon Simufact Welding для 3D-печати и тестирования ряда таких компонентов. После испытаний исследователи обнаружили, что их сплав сравним с другими коммерческими титановыми сплавами по пластичности и прочности.
Со-ведущий исследователь профессор Саймон Рингер из Сиднейского университета объяснил: «Ключевым фактором является уникальное распределение атомов кислорода и железа между фазами альфа-титана и бета-титана и внутри них. -кислородные области и пластичные области с низким содержанием кислорода позволяют нам контролировать локальные атомные связи и, таким образом, решать проблему хрупкости.
