Новый процесс 3D-печати открыл новый класс прочных, пластичных, перестраиваемых титановых сплавов, которые потенциально могут быть изготовлены из отходов без дорогостоящих добавок, таких как ванадий. Он также может работать с цирконием, ниобием и молибденом.
Титановые сплавы являются дорогими, но очень полезными материалами, часто используемыми в ситуациях, требующих высокой прочности, малого веса и устойчивости к таким вещам, как коррозия и высокие температуры. Они часто используются в аэрокосмической, автомобильной, строительной, спортивной, промышленной и медицинской сферах.
Исследовательская группа во главе с австралийским университетом RMIT, работающая с Сиднейским университетом, Гонконгским политехническим университетом и Hexagon Manufacturing Intelligence в Мельбурне, говорит, что разработала принципиально новый способ изготовления новых титановых сплавов, которые столь же прочны и пригодны для обработки, как титан/ванадий. /алюминиевые сплавы, но в которых вместо более дорогих металлов используется дешевый кислород и железо в изобилии.
Это огромный отход от стандартного производства титановых сплавов. Кислород, по словам команды, был бы отличным стабилизатором и усилителем альфа-фазы титана, но он также делает его хрупким и трескается — 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 для этой цели обычно используется алюминий.
Аналогично железо не только дешев и распространен, но и является вторым по легкости кандидатом на бета-фазную стабилизацию титана. Но это приводит к тому, что бета-титан слипается в большие пятна размером до сантиметров, вызывая структурные дефекты в конечном металле. Таким образом, он также строго контролируется и поддерживается на уровне ниже 2% в большинстве промышленных сплавов.
Но команда обнаружила, что смогла устранить эти недостатки путем смешивания сплавов в рамках процесса 3D-печати, известного как лазерное осаждение металлического порошка с направленной энергией, что позволило им уделять пристальное внимание микроструктуре материала при его укладке. вниз.
Микроструктура атомного масштаба на межфазной границе альфа-бета из нового сплава, напечатанного на 3D-принтере. Почти весь кислород содержится в кристаллах альфа-фазы, почти все железо находится в кристаллах бета-фазыМа Цянь, Саймон Рингер и коллеги
Они создали и напечатали серию сплавов, используя кислород и железо в качестве стабилизаторов, и испытали их различными способами, обнаружив, что они могут соперничать по прочности и пластичности с коммерческими титановыми сплавами. Благодаря 3D-печати эти новые сплавы создаются в точных формах, но свойства металла также могут быть адаптированы к тому, что вы делаете — отсюда и прозвище «дизайнерские» титановые сплавы.
«Это исследование предлагает новую систему из титанового сплава, обладающую широким и настраиваемым диапазоном механических свойств, высокой технологичностью, огромным потенциалом для сокращения выбросов и идеями для проектирования материалов в родственных системах», — сказал один из ведущих исследователей и проректор-профессор Сиднейского университета. Саймон Рингер в пресс-релизе.
«Критическим фактором является уникальное распределение атомов кислорода и железа внутри и между альфа-титановой и бета-титановой фазами, — объясняет он. — Мы создали наноградиент кислорода в альфа-титановой фазе, отличающийся высокой кислородные сегменты, которые являются прочными, и сегменты с низким содержанием кислорода, которые являются пластичными, что позволяет нам осуществлять контроль над локальными атомными связями и, таким образом, снижать вероятность охрупчивания».
Кислородное охрупчивание является проблемой не только для титана, но и является ключевым фактором, препятствующим его использованию в цирконии, ниобии, молибдене и других металлах. Исследователи считают, что такой же процесс может быть возможен и с этими 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 низкокачественными.
Ведущий автор доктор Тинтинг Сонг, научный сотрудник RMIT, сказал, что команда находится «в начале большого пути, от проверки наших новых концепций до промышленных приложений. 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 титано-кислородно-железного сплава, переработанные порошки титана с высоким содержанием кислорода, не соответствующие техническим требованиям, или порошки титана, изготовленные из лома титана с высоким содержанием кислорода, используя наш подход».
Исследование находится в открытом доступе в журнале Nature.
