Новый класс «дизайнерских» титановых сплавов можно получить из отходов

May 06, 2023

Новый процесс 3D-печати открыл новый класс прочных, пластичных, настраиваемых титановых сплавов, которые потенциально можно производить из отходов без дорогостоящих добавок, таких как ванадий. Он также может работать с цирконием, ниобием и молибденом.

Титановые сплавы — дорогие, но очень полезные материалы, часто используемые в ситуациях, требующих высокой прочности, малого веса и устойчивости к таким явлениям, как коррозия и высокие температуры. Их часто можно встретить в аэрокосмической, автомобильной, строительной, спортивной, промышленной и медицинской сферах.

Исследовательская группа под руководством австралийского университета RMIT, сотрудничающая с Сиднейским университетом, Гонконгским политехническим университетом и Hexagon Manufacturing Intelligence в Мельбурне, утверждает, что разработала принципиально иной способ изготовления новых титановых сплавов, которые так же прочны и работоспособны, как титан/ванадий. / алюминиевые сплавы, но в них вместо более дорогих металлов используются дешевые и богатые кислород и железо.

Это огромный отход от стандартного производства титановых сплавов. Кислород, по словам ученых, был бы отличным стабилизатором и усилителем альфа-фазы титана, но он также делает его хрупким и растрескивается – отсюда и его прозвище «криптонит» титана. Существуют эмпирические правила проектирования промышленных титановых сплавов, которые ограничивают содержание кислорода от 0,12% до 0,72%, в зависимости от того, какой сплав изготавливается, и вместо этого обычно для этой цели используется алюминий.

Кроме того, железо не только дешево и широко распространено, но и является вторым по легкости кандидатом на стабилизацию бета-фазы титана. Но это приводит к тому, что бета-титан слипается в большие пятна размером до нескольких сантиметров, вызывая структурные дефекты в конечном металле. Таким образом, он также жестко контролируется и поддерживается на уровне ниже 2% в большинстве промышленных предприятий по производству сплавов.

Но команда обнаружила, что им удалось устранить эти недостатки путем смешивания сплавов в рамках процесса 3D-печати, известного как лазерное нанесение энергии металлическим порошком, что позволило им уделять пристальное внимание микроструктуре материала во время его укладки. вниз.

Они создали и напечатали серию сплавов, используя кислород и железо в качестве стабилизаторов, и протестировали их различными способами, обнаружив, что они способны конкурировать по прочности и пластичности с коммерческими титановыми сплавами. Эти новые сплавы, напечатанные на 3D-принтере, имеют точную необходимую форму, но свойства металла также можно адаптировать к тому, что вы делаете. Отсюда и прозвище «дизайнерские» титановые сплавы.

«Это исследование позволяет создать новую систему из титанового сплава, обладающую широким и настраиваемым диапазоном механических свойств, высокой технологичностью, огромным потенциалом для снижения выбросов и пониманием дизайна материалов в родственных системах», — сказал один из ведущих исследователей из Университета Сиднея Pro-Vice. -Канцлер профессор Саймон Рингер в пресс-релизе.

«Важнейшим фактором является уникальное распределение атомов кислорода и железа внутри и между фазами альфа-титана и бета-титана», - объясняет он. «Мы разработали наномасштабный градиент кислорода в фазе альфа-титана, включающий сегменты с высоким содержанием кислорода, которые являются прочными, и сегменты с низким содержанием кислорода, которые являются пластичными, что позволяет нам осуществлять контроль над локальными атомными связями и таким образом смягчать потенциал охрупчивание».

Кислородное охрупчивание — это не только проблема титана — это также ключевой фактор, препятствующий его использованию в цирконии, ниобии, молибдене и других металлах. Исследователи полагают, что тот же процесс возможен и с другими металлами, но необходимы дальнейшие исследования.

Помимо ограничения использования дорогих металлов, этот метод также может снизить стоимость титановых сплавов за счет использования переработанных промышленных отходов и материалов, которые в настоящее время считаются низкосортными.

Ведущий автор доктор Тингтинг Сонг, научный сотрудник вице-канцлера RMIT, сказал, что команда «находится в начале большого пути от проверки наших новых концепций здесь к промышленному применению. Есть основания для волнения – 3D-печать предлагает принципиально иной способ изготовления новых сплавов и имеет явные преимущества по сравнению с традиционными подходами.Существует потенциальная возможность для промышленности повторно использовать отходы губчатого сплава титан-кислород-железо, «некондиционные» переработанные порошки титана с высоким содержанием кислорода или титановые порошки, изготовленные из титановый лом с высоким содержанием кислорода с использованием нашего подхода».