Исследователи разрабатывают новый класс экологически чистых титановых сплавов с помощью 3D-печати с использованием лазерно-направленного энергетического осаждения.

Исследователи из Университета RMIT и Сиднейского университета разработали новый класс прочных, пластичных, настраиваемых и устойчивых титановых сплавов. Исследование проводилось в сотрудничестве с Гонконгским политехническим университетом и подразделением Manufacturing Intelligence шведской компании Hexagon, разработчика программного обеспечения.

Титановые сплавы являются невероятно полезными материалами и ценятся за свою прочность, малый вес и устойчивость к коррозии и высоким температурам. Однако производство титановых сплавов традиционного производства дорогое.

Говорят, что это новое исследование открывает потенциал для создания нового класса экологически чистых и дешевых высокоэффективных титановых сплавов для использования в аэрокосмической, биомедицинской, химической инженерии, космосе и энергетике. Команда объединила проектирование сплавов и процесса 3D-печати для разработки новых титановых сплавов, которые печатаются на 3D-принтере из металлических порошков с использованием лазерно-направленного энергетического осаждения (L-DED).

По словам ведущего исследователя профессора Ма Цяня из RMIT, исследовательская группа включила в свой проект экономику замкнутого цикла. Эти новые сплавы можно производить из отходов и низкосортных материалов без необходимости использования дорогих добавок, таких как ванадий и алюминий. Вместо этого используются кислород и железо, которые дешевы и доступны в изобилии.

«Повторное использование отходов и некачественных материалов может повысить экономическую ценность и сократить выбросы углекислого газа в титановой промышленности», — прокомментировал Цянь.

Ведущий автор доктор Тингтинг Сонг из RMIT заявил, 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. У промышленности есть потенциальная возможность повторно использовать отходы губчатого титано-кислородного сплава железа, «некондиционные» переработанные титановые порошки с высоким содержанием кислорода или титановые порошки, изготовленные из титанового лома с высоким содержанием кислорода, используя наш подход», — добавил Сонг.

Исследовательская работа группы под названием «Прочные и пластичные сплавы титана, кислорода и железа, полученные методом аддитивного производства», была опубликована в журнале Nature.

Разработка новых титановых сплавов для 3D-печати

Сплавы команды состоят из смеси двух форм кристаллов титана: альфа-титановой фазы и бета-титановой фазы, называемых Ti-6Al-4V. Каждая форма соответствует определенному расположению атомов.

Самый распространенный титановый сплав Ti-6Al-4V традиционно производится с использованием 6% алюминия и 4% ванадия и составляет более 50% всего рынка титана. Новое исследование заменяет алюминий и титан кислородом и железом. Помимо того, что эти элементы легко доступны и недороги, они являются двумя наиболее мощными стабилизаторами и упрочнителями альфа- и бета-титановых фаз.

Традиционно титановые сплавы с высоким содержанием титана и кислорода сталкивались с проблемами, которые препятствовали их разработке и внедрению.

«Одна из проблем заключается в том, что кислород, который в просторечии называют «криптонитом для титана», может сделать титан хрупким, а другая заключается в том, что добавление железа может привести к серьезным дефектам в виде больших участков бета-титана», — сказал Цянь.

3D-печать L-DED, процесс, обычно используемый для изготовления больших и сложных деталей, позволила исследователям преодолеть эти проблемы.

Использование L-DED позволило команде настроить механические свойства сплавов. Ученые создали в сплаве кристаллы титана наноразмера, тщательно контролируя распределение атомов кислорода и железа. Это привело к тому, что некоторые отдельные части сплава стали прочными, а другие — пластичными, что гарантировало, что материал не станет хрупким при растяжении.

Используя модуль DED в программе Simufact Welding компании Hexagon, команда напечатала и протестировала в 3D серию таких конфигураций. После испытаний исследователи обнаружили, что их сплавы могут конкурировать по пластичности и прочности с другими коммерческими титановыми сплавами.