Des chercheurs du RMIT et de l'Université de Sydney, en collaboration avec l'Université polytechnique de Hong Kong et la division Manufacturing Intelligence du développeur de logiciels suédois Hexagon, ont développé avec succès un nouveau matériau en alliage de titane. Cette réalisation de recherche ouvre de nouvelles possibilités pour l'application des alliages de titane dans de multiples domaines et offre des implications bénéfiques pour la réalisation de méthodes de fabrication plus durables.
△Schéma schématique de la microstructure de l'alliage de titane imprimé par dépôt d'énergie dirigé par laser 3D
Que fait le nouvel alliage de titane imprimé en 3D ?
Cet alliage de titane est solide, malléable, ajustable et durable. Le coût de fabrication conventionnelle des alliages de titane est élevé, et cette recherche offre le potentiel de nouveaux alliages de titane à haute performance avec des applications dans l'aérospatiale, la biomédecine, le génie chimique, l'espace et l'énergie, entre autres domaines.
L'équipe de recherche a utilisé une combinaison de conception d'alliage et de processus d'impression 3D pour imprimer en 3D ce nouvel alliage de titane à partir de poudre métallique à l'aide de la technologie de dépôt d'énergie dirigée par laser (L-DED). Ce procédé de fabrication innovant rend la production d'alliages de titane plus durable et abordable.
△Tingting Song (à gauche) et Ma Qian (à droite)
Le chercheur principal, le professeur Ma Qian de l'Université RMIT, a déclaré avoir intégré le concept d'économie circulaire dans la conception. Le nouvel alliage peut être produit à partir de déchets et de matériaux de qualité inférieure, sans additifs coûteux tels que le vanadium et l'aluminium, mais avec de l'oxygène et du fer bon marché et abondants.
"La réutilisation des déchets et des matériaux de mauvaise qualité a le potentiel d'ajouter de la valeur économique et de réduire l'empreinte carbone élevée de l'industrie du titane", a expliqué le professeur Qian.
L'auteur principal de l'étude est Tingting Song, doctorant au RMIT. Elle a déclaré que l'équipe est à une étape importante de la validation de son nouveau concept à la réalisation d'applications industrielles.
Song a ajouté : "Nous avons des raisons d'être ravis que l'impression 3D offre une manière complètement différente de fabriquer de nouveaux alliages avec des avantages évidents par rapport aux méthodes traditionnelles. Il existe une opportunité potentielle pour l'industrie de tirer parti de notre méthode." Réutilisation des déchets d'éponge de ferro-titane, de poudre de titane à haute teneur en oxygène recyclée "hors spécifications" ou de poudre de titane fabriquée à partir de déchets de titane à haute teneur en oxygène."
△Le document de recherche a été publié dans la revue "Nature", et le titre de la recherche est "Réaliser des alliages d'oxyde de titane de fer solides et résistants grâce à la fabrication d'impression 3D"
Les défis du développement de nouveaux alliages
L'alliage de l'équipe se compose de deux formes de cristaux de titane, un mélange de la phase alpha-titane et de la phase bêta-titane, connue sous le nom de Ti-6Al-4V. Chaque forme correspond à un arrangement spécifique d'atomes.
Ti-6Al-4V est l'alliage de titane le plus courant, utilisant 6 % d'aluminium et 4 % de vanadium dans les méthodes de production traditionnelles, représentant plus de 50 % du marché des alliages de titane. La nouvelle étude a utilisé de l'oxygène et du fer au lieu de l'aluminium et du vanadium. En plus d'être facilement disponibles et d'un coût relativement faible, ces éléments sont les deux stabilisants et renforçateurs les plus efficaces des phases -titane et -titane.
Traditionnellement, les alliages de titane contenant des niveaux élevés de titane et d'oxygène ont été confrontés à des défis de développement et d'adoption.
Qian a commenté: "Un défi est que l'oxygène, familièrement décrit comme" la kryptonite du titane ", rend le titane cassant; un autre défi est que l'ajout de fer peut entraîner de graves défauts dans la morphologie de grandes feuilles de phase -titane."
△L'équipe a réalisé avec succès l'impression 3D de la microstructure au niveau atomique sur l'interface de phase du nouvel alliage grâce à la technologie de dépôt d'énergie dirigée par laser (L-DED)
L'utilisation de la technologie d'impression 3D L-DED permet aux chercheurs de relever avec succès les défis
L'impression 3D L-DED est souvent utilisée pour créer des pièces volumineuses et complexes, et elle permet aux scientifiques d'ajuster les propriétés mécaniques des alliages. Ils ont réussi à créer des cristaux de titane à l'échelle nanométrique dans l'alliage avec un contrôle précis de la distribution des atomes d'oxygène et de fer. Cela rend certaines zones de l'alliage très résistantes, tandis que d'autres sont ductiles, garantissant que le matériau ne devient pas cassant lorsqu'il est sollicité.
L'équipe a utilisé le module DED du logiciel Simufact Welding d'Hexagon pour imprimer en 3D et tester une série de ces composants. Après des tests, les chercheurs ont découvert que leur alliage était comparable à d'autres alliages de titane commerciaux en termes de ductilité et de résistance.
Le co-chercheur principal, le professeur Simon Ringer de l'Université de Sydney, a expliqué : "Le catalyseur clé est la distribution unique d'atomes d'oxygène et de fer entre et dans les phases alpha-titane et bêta-titane. Le gradient d'oxygène de haut niveau, y compris une forte -régions à oxygène et régions ductiles à faible teneur en oxygène, nous permet de contrôler la liaison atomique locale et ainsi d'atténuer le problème de fragilité.
