Investigadores de RMIT y la Universidad de Sydney, en colaboración con la Universidad Politécnica de Hong Kong y la división de inteligencia de fabricación del desarrollador de software sueco Hexagon, han desarrollado con éxito un nuevo material de aleación de titanio. Este logro de investigación abre nuevas posibilidades para la aplicación de aleaciones de titanio en múltiples campos y proporciona implicaciones beneficiosas para la realización de métodos de fabricación más sostenibles.
△Diagrama esquemático de la microestructura de aleación de titanio impresa por deposición de energía dirigida por láser 3D
¿Qué hace la nueva aleación de titanio impresa en 3D?
Esta aleación de titanio es fuerte, maleable, ajustable y sostenible. El costo de fabricar aleaciones de titanio de manera convencional es alto, y esta investigación ofrece el potencial para nuevas aleaciones de titanio de alto rendimiento con aplicaciones en aeroespacial, biomedicina, ingeniería química, espacio y energía, entre otros campos.
El equipo de investigación utilizó una combinación de aleación y diseño de proceso de impresión 3D para imprimir en 3D esta nueva aleación de titanio a partir de polvo metálico utilizando la tecnología de deposición de energía dirigida por láser (L-DED). Este innovador proceso de fabricación hace que la producción de aleaciones de titanio sea más sostenible y asequible.
△Tingting Song (izquierda) y Ma Qian (derecha)
El investigador principal, el profesor Ma Qian de la Universidad RMIT, dijo que incorporaron el concepto de economía circular en el diseño. La nueva aleación se puede producir utilizando chatarra y materiales de baja calidad, sin aditivos costosos como el vanadio y el aluminio, pero con oxígeno y hierro baratos y abundantes.
"La reutilización de desechos y materiales de baja calidad tiene el potencial de agregar valor económico y reducir la alta huella de carbono de la industria del titanio", explicó el profesor Qian.
El autor principal del estudio es Tingting Song, estudiante de doctorado en RMIT. Ella dijo que el equipo se encuentra en una etapa importante desde la validación de su nuevo concepto hasta la realización de aplicaciones industriales.
Song agregó: "Tenemos motivos para estar entusiasmados de que la impresión 3D ofrezca una forma completamente diferente de hacer nuevas aleaciones con claras ventajas sobre los métodos tradicionales. Existe una oportunidad potencial para que la industria aproveche nuestro método". Reutilización de esponja de ferro-titanio de desecho, polvo de titanio con alto contenido de oxígeno reciclado "fuera de especificación" o polvo de titanio hecho de titanio de desecho con alto contenido de oxígeno.
△El artículo de investigación se publicó en la revista "Nature" y el título de la investigación es "Realización de aleaciones de óxido de titanio y hierro fuertes y resistentes a través de la fabricación de impresión 3D"
Desafíos en el desarrollo de nuevas aleaciones
La aleación del equipo consta de dos formas de cristales de titanio, una mezcla de la fase alfa-titanio y la fase beta-titanio, conocida como Ti-6Al-4V. Cada forma corresponde a una disposición específica de los átomos.
Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más común y utiliza un 6 % de aluminio y un 4 % de vanadio en los métodos de producción tradicionales, lo que representa más del 50 % del mercado de aleaciones de titanio. El nuevo estudio utilizó oxígeno y hierro en lugar de aluminio y vanadio. Además de estar fácilmente disponibles y de un costo relativamente bajo, estos elementos son los dos estabilizadores y fortalecedores más efectivos de las fases -titanio y -titanio.
Tradicionalmente, las aleaciones de titanio que contienen altos niveles de titanio y oxígeno han enfrentado desafíos de desarrollo y adopción.
Qian comentó: "Un desafío es que el oxígeno, coloquialmente descrito como 'criptonita de titanio', hace que el titanio se vuelva quebradizo; otro desafío es que la adición de hierro puede provocar defectos graves en la morfología de grandes láminas de fase -titanio".
△El equipo realizó con éxito la impresión 3D de la microestructura a nivel atómico en la interfaz de fase de la nueva aleación a través de la tecnología de deposición de energía dirigida por láser (L-DED)
El uso de la tecnología de impresión 3D L-DED permite a los investigadores superar con éxito los desafíos
La impresión 3D L-DED se usa a menudo para crear piezas grandes y complejas, y permite a los científicos ajustar las propiedades mecánicas de las aleaciones. Lograron crear cristales de titanio a nanoescala en la aleación con un control preciso sobre la distribución de átomos de oxígeno y hierro. Esto hace que ciertas áreas de la aleación sean muy fuertes, mientras que otras son dúctiles, lo que garantiza que el material no se vuelva quebradizo cuando se somete a esfuerzos.
El equipo usó el módulo DED en el software Simufact Welding de Hexagon para imprimir en 3D y probar una serie de dichos componentes. Después de las pruebas, los investigadores encontraron que su aleación era comparable a otras aleaciones de titanio comerciales en cuanto a ductilidad y resistencia.
El co-investigador principal, el profesor Simon Ringer de la Universidad de Sydney, explicó: "El habilitador clave es la distribución única de átomos de oxígeno y hierro entre y dentro de las fases de alfa-titanio y beta-titanio. El gradiente de oxígeno de alto nivel, que incluye un fuerte alto -Regiones de oxígeno y regiones dúctiles de bajo oxígeno, nos permite controlar la unión atómica local y así aliviar el problema de la fragilidad.
