Výskumníci z RMIT a Univerzity v Sydney v spolupráci s Hongkongskou polytechnickou univerzitou a divíziou Manufacturing Intelligence švédskeho vývojára softvéru Hexagon úspešne vyvinuli nový materiál zliatiny titánu. Tento výskumný úspech otvára nové možnosti použitia titánových zliatin vo viacerých oblastiach a poskytuje prospešné dôsledky pre realizáciu udržateľnejších výrobných metód.
△Schéma mikroštruktúry titánovej zliatiny vytlačená laserom riadeným energetickým nanášaním 3D
Čo robí nová 3D tlačená titánová zliatina?
Táto zliatina titánu je pevná, tvárna, nastaviteľná a udržateľná. Náklady na konvenčnú výrobu titánových zliatin sú vysoké a tento výskum ponúka potenciál pre nové vysokovýkonné titánové zliatiny s aplikáciami v kozmickom priemysle, biomedicíne, chemickom inžinierstve, vesmíre a energetike, medzi inými oblasťami.
Výskumný tím použil kombináciu zliatiny a dizajnu procesu 3D tlače na 3D tlač tejto novej zliatiny titánu z kovového prášku pomocou technológie nanášania laserom riadenej energie (L-DED). Tento inovatívny výrobný proces robí výrobu titánových zliatin udržateľnejšou a cenovo dostupnejšou.
△Tingting Song (vľavo) a Ma Qian (vpravo)
Vedúci výskumník profesor Ma Qian z univerzity RMIT uviedol, že do dizajnu začlenili koncept obehového hospodárstva. Nová zliatina môže byť vyrobená s použitím šrotu a materiálov nízkej kvality, bez drahých prísad, ako je vanád a hliník, ale s lacným a bohatým kyslíkom a železom.
„Opätovné použitie odpadu a materiálov nízkej kvality má potenciál pridať ekonomickú hodnotu a znížiť vysokú uhlíkovú stopu titánového priemyslu,“ vysvetlil profesor Qian.
Hlavným autorom štúdie je Tingting Song, doktorand na RMIT. Povedala, že tím je v dôležitej fáze od overenia ich nového konceptu až po realizáciu priemyselných aplikácií.
Song dodal: "Máme dôvod byť nadšení, že 3D tlač ponúka úplne iný spôsob výroby nových zliatin s jasnými výhodami oproti tradičným metódam. Pre priemysel existuje potenciálna príležitosť využiť našu metódu." Opätovné použitie odpadovej fero-titánovej špongie, „off-spec“ recyklovaného titánového prášku s vysokým obsahom kyslíka alebo titánového prášku vyrobeného z odpadového titánu s vysokým obsahom kyslíka.“
△Výskumná práca bola publikovaná v časopise „Nature“ a názov výskumu je „Uvedomenie si silných a odolných zliatin oxidu titaničitého železa prostredníctvom výroby 3D tlače“
Výzvy pri vývoji nových zliatin
Tímová zliatina pozostáva z dvoch foriem titánových kryštálov, zmesi alfa-titánovej fázy a beta-titánovej fázy, známej ako Ti-6Al-4V. Každá forma zodpovedá špecifickému usporiadaniu atómov.
Ti-6Al-4V je najbežnejšia zliatina titánu, pri ktorej sa v tradičných výrobných metódach používa 6 percent hliníka a 4 percent vanádu, čo predstavuje viac ako 50 percent trhu so zliatinami titánu. Nová štúdia použila kyslík a železo namiesto hliníka a vanádu. Okrem toho, že sú ľahko dostupné a relatívne nízke, sú tieto prvky dva najúčinnejšie stabilizátory a spevňovače titánovej a titánovej fázy.
Tradične čelili zliatiny titánu s vysokým obsahom titánu a kyslíka výzvam pri vývoji a prijatí.
Qian komentoval: „Jednou výzvou je, že kyslík, hovorovo označovaný ako ‚kryptonit titánu‘, spôsobuje, že titán sa stáva krehkým; ďalšou výzvou je, že pridanie železa môže viesť k vážnym defektom v morfológii veľkých plátov titánovej fázy.“
△Tím úspešne zrealizoval 3D tlač mikroštruktúry na atómovej úrovni na fázovom rozhraní novej zliatiny prostredníctvom technológie laserového nanášania energie (L-DED)
Použitie technológie 3D tlače L-DED umožňuje výskumníkom úspešne prekonávať výzvy
3D tlač L-DED sa často používa na vytváranie veľkých a zložitých dielov a umožňuje vedcom vyladiť mechanické vlastnosti zliatin. Podarilo sa im v zliatine vytvoriť kryštály titánu nanometrov s presnou kontrolou nad distribúciou atómov kyslíka a železa. Vďaka tomu sú určité oblasti zliatiny veľmi pevné, zatiaľ čo iné sú ťažné, čo zabezpečuje, že materiál pri namáhaní neskrehne.
Tím použil modul DED v softvéri Simufact Welding spoločnosti Hexagon na 3D tlač a testovanie série takýchto komponentov. Po testovaní vedci zistili, že ich zliatina je porovnateľná s inými komerčnými titánovými zliatinami v ťažnosti a pevnosti.
Vedúci výskumu profesor Simon Ringer z University of Sydney vysvetlil: "Kľúčovým faktorom je jedinečná distribúcia atómov kyslíka a železa medzi fázami alfa-titánu a beta-titánu av rámci nich. Vysokoúrovňový kyslíkový gradient vrátane silných vysokých -kyslíkové oblasti a tvárne nízkokyslíkové oblasti, nám umožňuje kontrolovať lokálnu atómovú väzbu a tak zmierniť problém s krehkosťou.
