Tim istraživača je stvorio novu klasu legura titanijuma koje su jake i nisu lomljive pod zatezanjem, integrišući dizajn legure i procesa 3D štampanja.
Ovo otkriće, objavljeno u časopisu Nature, moglo bi da pomogne u proširenju primene legura titanijuma, poboljšanju održivosti i pokretanju inovativnog dizajna legura.
Njihovo otkriće obećava novu klasu održivijih legura titanijuma visokih performansi za primenu u vazduhoplovstvu, biomedicini, hemijskom inženjerstvu, svemirskim i energetskim tehnologijama.
Univerzitet RMIT i Univerzitet u Sidneju predvodili su inovaciju, u saradnji sa Politehničkim univerzitetom u Hong Kongu i kompanijom Hekagon Manufacturing Intelligence iz Melburna.
Vodeći istraživač, Ma Kian, profesor sa RMIT-a, rekao je da je tim ugradio razmišljanje o kružnoj ekonomiji u svoj dizajn, stvarajući veliko obećanje za proizvodnju svojih novih legura titanijuma od industrijskog otpada i materijala niskog kvaliteta.
„Ponovna upotreba otpada i materijala niskog kvaliteta ima potencijal da doda ekonomsku vrednost i smanji visok ugljični otisak u industriji titanijuma“, rekao je Kian iz RMIT-ovog Centra za aditivnu proizvodnju u Fakultetu inženjerskih nauka. Izrada legure titanijuma na laserskom 3D štampaču koji je tim koristio za svoja istraživanja (imajte na umu da ovo nije legura koju je tim napravio za ovo konkretno istraživanje). Kredit: RMIT
Titanijumske legure tima sastoje se od mešavine dva oblika kristala titanijuma, nazvanih alfa-titanijumska faza i beta-titanijumska faza, od kojih svaki odgovara specifičnom rasporedu atoma.
Ova klasa legura je bila okosnica industrije titanijuma. Od 1954. godine, ove legure se proizvode prvenstveno dodavanjem aluminijuma i vanadijuma u titanijum.
Istraživački tim je istraživao upotrebu kiseonika i gvožđa — dva od najmoćnijih stabilizatora i pojačavača alfa- i beta-titanijumskih faza — kojih ima u izobilju i koje su jeftine.
Dva izazova su ometala razvoj jakih i duktilnih alfa-beta legura titanijum-kiseonik-gvožđe kroz konvencionalne proizvodne procese, rekao je Kian.
„Jedan izazov je da kiseonik – koji se kolokvijalno opisuje kao ‘kriptonit do titanijuma’ – može učiniti titanijum krhkim, a drugi je da dodavanje gvožđa može dovesti do ozbiljnih defekata u obliku velikih mrlja beta-titanijuma.
Tim je koristio lasersko usmereno taloženje energije (L-DED), proces 3D štampanja pogodan za izradu velikih, složenih delova, za štampanje njihovih legura od metalnog praha.
„Ključni faktor koji nam je omogućio bila je kombinacija naših koncepata dizajna legure sa dizajnom procesa 3D štampanja, koji je identifikovao niz legura koje su jake, duktilne i lake za štampanje“, rekao je Kian.
Atraktivna svojstva ovih novih legura koje mogu parirati onima komercijalnih legura pripisuju se njihovoj mikrostrukturi, kaže tim.
„Ovo istraživanje donosi novi sistem legure titanijuma sposoban za širok i podesivi opseg mehaničkih svojstava, visoku obradivost, ogroman potencijal za smanjenje emisija i uvid u dizajn materijala u srodnim sistemima“, rekao je vodeći istraživač Univerziteta u Sidneju Pro-Vice- kancelar profesor Simon Ringer.
„Kritični faktor je jedinstvena distribucija atoma kiseonika i gvožđa unutar i između faza alfa-titanijuma i beta-titanijuma.
„Napravili smo nanorazmerni gradijent kiseonika u alfa-titanijumskoj fazi, koji sadrži segmente sa visokim sadržajem kiseonika koji su jaki i segmente sa niskim sadržajem kiseonika koji su duktilni što nam omogućava da vršimo kontrolu nad lokalnim atomskim vezama i tako ublažimo potencijal za krhkost“.
Vodeći autor, dr Tingting Song, istraživački saradnik RMIT-a vicekancelara, rekao je da je tim „na početku velikog putovanja, od dokaza naših novih koncepata ovde, ka industrijskim primenama“.
„Postoji razloga za uzbuđenje – 3D štampa nudi fundamentalno drugačiji način pravljenja novih legura i ima jasne prednosti u odnosu na tradicionalne pristupe“, rekla je ona.
„Postoji potencijalna prilika za industriju da ponovo koristi otpadnu leguru titanijum-kiseonik-gvožđe, reciklirane titanijumske prahove sa visokim sadržajem kiseonika ili titanijumske prahove napravljene od otpadnog titanijuma sa visokim sadržajem kiseonika, koristeći naš pristup.
Glavni autor dr Zibin Čen, koji se pridružio Politehničkom univerzitetu u Hong Kongu sa Univerziteta u Sidneju u kasnijim fazama saradnje, rekao je da istraživanje ima šire implikacije.
„Krljivost kiseonikom je veliki metalurški izazov ne samo za titanijum, već i za druge važne metale kao što su cirkonijum, niobijum i molibden i njihove legure“, rekao je on.
„Naš rad može da pruži šablon za ublažavanje ovih problema sa krtošću kiseonika kroz 3D štampanje i dizajn mikrostrukture.
Rad tima je imao koristi od održivih, ciljanih ulaganja u istraživačku infrastrukturu od strane nacionalnih i državnih vlada i univerziteta, rekao je Ringer.
„Na mnogo načina, ovaj rad prikazuje moć australijske nacionalne strategije za istraživačku infrastrukturu za saradnju i postavlja scenu za proširenje ove strategije na oblast napredne proizvodnje“, rekao je on.
Istraživački rad tima, „Jake i duktilne legure titanijum-kiseonik-gvožđe aditivnom proizvodnjom,“ objavljen je u Nature.
Uvodnik o radu tima, „Dizajnerske legure titanijuma stvorene korišćenjem 3D štampanja“, takođe je objavljen u časopisu Nature.
