RMIT un Sidnejas universitātes pētnieki sadarbībā ar Honkongas Politehnisko universitāti un Zviedrijas programmatūras izstrādātāja Hexagon Ražošanas izlūkošanas nodaļu ir veiksmīgi izstrādājuši jaunu titāna sakausējuma materiālu. Šis pētniecības sasniegums paver jaunas iespējas titāna sakausējumu pielietošanai vairākās jomās un sniedz labvēlīgu ietekmi uz ilgtspējīgāku ražošanas metožu ieviešanu.
△ Titāna sakausējuma mikrostruktūras shematiskā diagramma, kas izdrukāta ar lāzera virzītu enerģijas nogulsnēšanos 3D
Ko dara jaunais 3D drukātais titāna sakausējums?
Šis titāna sakausējums ir spēcīgs, kaļams, regulējams un ilgtspējīgs. Titāna sakausējumu tradicionālās ražošanas izmaksas ir augstas, un šis pētījums piedāvā jaunu augstas veiktspējas titāna sakausējumu potenciālu, ko izmanto kosmosa, biomedicīnas, ķīmiskās inženierijas, kosmosa un enerģētikas jomā.
Pētnieku komanda izmantoja sakausējuma un 3D drukas procesa dizaina kombināciju, lai 3D drukātu šo jauno titāna sakausējumu no metāla pulvera, izmantojot lāzera virzītas enerģijas nogulsnēšanas (L-DED) tehnoloģiju. Šis novatoriskais ražošanas process padara titāna sakausējumu ražošanu ilgtspējīgāku un pieejamāku.
△ Tingting Song (pa kreisi) un Ma Qian (pa labi)
Vadošais pētnieks profesors Ma Qian no RMIT universitātes teica, ka viņi dizainā ir iekļāvuši aprites ekonomikas koncepciju. Jauno sakausējumu var ražot, izmantojot lūžņus un zemas kvalitātes materiālus, bez dārgām piedevām, piemēram, vanādija un alumīnija, bet ar lētu un bagātīgu skābekli un dzelzi.
"Atkritumu un zemas kvalitātes materiālu atkārtotai izmantošanai ir potenciāls pievienot ekonomisku vērtību un samazināt titāna nozares lielo oglekļa emisiju," skaidroja profesors Cjaņs.
Pētījuma vadošais autors ir Tingting Song, RMIT doktorants. Viņa teica, ka komanda ir svarīgā posmā no jaunās koncepcijas apstiprināšanas līdz rūpniecisko lietojumu īstenošanai.
Song piebilda: "Mums ir iemesls būt satrauktiem, ka 3D drukāšana piedāvā pilnīgi atšķirīgu veidu jaunu sakausējumu izgatavošanai ar nepārprotamām priekšrocībām salīdzinājumā ar tradicionālajām metodēm. Ir potenciāla iespēja nozarei izmantot mūsu metodi." Atkritumu ferotitāna sūkļa atkārtota izmantošana, "nepiemērots" pārstrādāts titāna pulveris ar augstu skābekļa saturu vai titāna pulveris, kas izgatavots no titāna atkritumiem ar augstu skābekļa saturu.
△Pētniecības darbs ir publicēts žurnālā "Nature", un pētījuma nosaukums ir "Spēcīgu un izturīgu dzelzs titāna oksīda sakausējumu realizācija, izmantojot 3D drukāšanas ražošanu"
Izaicinājumi jaunu sakausējumu izstrādē
Komandas sakausējums sastāv no divu veidu titāna kristāliem, alfa-titāna fāzes un beta-titāna fāzes maisījuma, kas pazīstams kā Ti-6Al-4V. Katra forma atbilst noteiktam atomu izvietojumam.
Ti-6Al-4V ir visizplatītākais titāna sakausējums, kas tradicionālajās ražošanas metodēs izmanto 6 procentus alumīnija un 4 procentus vanādija, kas veido vairāk nekā 50 procentus no titāna sakausējumu tirgus. Jaunajā pētījumā alumīnija un vanādija vietā tika izmantots skābeklis un dzelzs. Papildus tam, ka šie elementi ir viegli pieejami un salīdzinoši zemas izmaksas, tie ir divi visefektīvākie titāna un titāna fāzes stabilizatori un stiprinātāji.
Tradicionāli titāna sakausējumi, kas satur augstu titāna un skābekļa līmeni, ir saskārušies ar izstrādes un ieviešanas problēmām.
Cjaņs komentēja: "Viens izaicinājums ir tas, ka skābeklis, ko sarunvalodā dēvē par "titāna kriptonītu", izraisa titāna trauslumu; vēl viens izaicinājums ir tas, ka dzelzs pievienošana var izraisīt nopietnus defektus lielu titāna fāzes lokšņu morfoloģijā."
△ Komanda veiksmīgi realizēja atomu līmeņa mikrostruktūras 3D drukāšanu uz jaunā sakausējuma fāzes saskarnes, izmantojot lāzera virzītas enerģijas nogulsnēšanas (L-DED) tehnoloģiju.
L-DED 3D drukas tehnoloģijas izmantošana ļauj pētniekiem veiksmīgi pārvarēt izaicinājumus
L-DED 3D drukāšanu bieži izmanto, lai izveidotu lielas un sarežģītas detaļas, un tā ļauj zinātniekiem pielāgot sakausējumu mehāniskās īpašības. Viņiem izdevās radīt nanomēroga titāna kristālus sakausējumā, precīzi kontrolējot skābekļa un dzelzs atomu sadalījumu. Tas padara noteiktas sakausējuma zonas ļoti spēcīgas, bet citas ir elastīgas, nodrošinot, ka materiāls nekļūst trausls spriedzes laikā.
Komanda izmantoja DED moduli Hexagon Simufact Welding programmatūrā, lai 3D drukātu un pārbaudītu virkni šādu komponentu. Pēc testēšanas pētnieki atklāja, ka to sakausējums elastības un izturības ziņā ir salīdzināms ar citiem komerciāliem titāna sakausējumiem.
Līdzvadošais pētnieks profesors Saimons Ringers no Sidnejas Universitātes paskaidroja: "Galvenais veicinātājs ir unikāls skābekļa un dzelzs atomu sadalījums starp alfa-titāna un beta-titāna fāzēm un to iekšienē. Augsta līmeņa skābekļa gradients, tostarp spēcīgs augsts līmenis. -skābekļa reģioni un elastīgi zema skābekļa reģioni, ļauj mums kontrolēt lokālo atomu saiti un tādējādi mazināt trausluma problēmu.
