محققان کلاس جدیدی از آلیاژهای تیتانیوم پایدار را با استفاده از پرینت سه‌بعدی رسوب انرژی لیزری تولید می‌کنند

محققان دانشگاه RMIT و دانشگاه سیدنی کلاس جدیدی از آلیاژهای تیتانیوم قوی، انعطاف پذیر، قابل تنظیم و پایدار را توسعه داده اند. این تحقیق با همکاری دانشگاه پلی تکنیک هنگ کنگ و بخش هوش تولیدی Hexagon توسعه دهنده نرم افزار سوئدی انجام شد.

آلیاژهای تیتانیوم مواد فوق العاده مفیدی هستند و به دلیل استحکام، وزن کم و مقاومت در برابر خوردگی و دماهای بالا مورد توجه قرار می گیرند. با این حال، تولید آلیاژهای تیتانیوم به طور سنتی گران است.

گفته می شود که این تحقیق جدید پتانسیلی را برای کلاس جدیدی از آلیاژهای تیتانیوم پایدار و ارزان قیمت برای استفاده در کاربردهای هوافضا، زیست پزشکی، مهندسی شیمی، فضا و انرژی ارائه می دهد. این تیم طراحی فرآیند پرینت سه بعدی و آلیاژی را برای توسعه آلیاژهای تیتانیوم جدید خود که به صورت سه بعدی از پودرهای فلزی با استفاده از رسوب گذاری انرژی لیزری (L-DED) چاپ می شوند، ادغام کردند.

به گفته محقق ارشد پروفسور Ma Qian از RMIT، تیم تحقیقاتی اقتصاد دایره ای را در طراحی خود تعبیه کرده است. این آلیاژهای جدید را می توان از ضایعات و مواد کم عیار بدون نیاز به افزودنی های گران قیمت مانند وانادیوم و آلومینیوم تولید کرد. در عوض از اکسیژن و آهن که هم ارزان و هم فراوان هستند استفاده می شود.

کیان اظهار داشت: «استفاده مجدد از ضایعات و مواد با کیفیت پایین پتانسیل افزایش ارزش اقتصادی و کاهش ردپای کربن بالای صنعت تیتانیوم را دارد.

نویسنده اصلی، دکتر Tingting Song از RMIT ادعا کرد که این تیم “در آغاز یک سفر بزرگ، از اثبات مفاهیم جدید ما در اینجا، به سمت کاربردهای صنعتی” است.

دلایلی برای هیجان وجود دارد – پرینت سه بعدی روشی اساساً متفاوت برای ساخت آلیاژهای جدید ارائه می دهد و مزایای مشخصی نسبت به رویکردهای سنتی دارد. سونگ افزود: فرصتی بالقوه برای صنعت برای استفاده مجدد از آلیاژ تیتانیوم-اکسیژن-آهن ضایعات، پودرهای تیتانیوم با اکسیژن بالا بازیافت شده «خارج از مشخصات» یا پودرهای تیتانیوم ساخته شده از ضایعات تیتانیوم با اکسیژن بالا با استفاده از رویکرد ما وجود دارد.

مقاله تحقیقاتی این تیم با عنوان “آلیاژهای تیتانیوم-اکسیژن-آهن قوی و قابل انعطاف توسط تولید افزودنی” در مجله منتشر شده است. طبیعت.

توسعه آلیاژهای تیتانیوم پرینت سه بعدی جدید

آلیاژهای این تیم از مخلوطی از دو شکل کریستال تیتانیوم، فاز آلفا تیتانیوم و فاز بتا تیتانیوم به نام Ti-6Al-4V تشکیل شده است. هر شکل مربوط به آرایش خاصی از اتم ها است.

رایج ترین آلیاژ تیتانیوم، Ti-6Al-4V به طور سنتی با استفاده از 6٪ آلومینیوم و 4٪ وانادیم تولید می شود و بیش از 50٪ از کل بازار تیتانیوم را تشکیل می دهد. این تحقیق جدید آلومینیوم و تیتانیوم را با اکسیژن و آهن جایگزین می کند. این عناصر علاوه بر در دسترس بودن و ارزان بودن، دو تا از قوی‌ترین تثبیت‌کننده‌ها و تقویت‌کننده‌های فازهای آلفا و بتا تیتانیوم هستند.

به طور سنتی، آلیاژهای تیتانیوم حاوی سطوح بالایی از تیتانیوم و اکسیژن با چالش هایی روبرو بوده اند که مانع توسعه و پذیرش آنها شده است.

کیان می‌گوید: «یک چالش این است که اکسیژن – که در محاوره‌ای به عنوان «کریپتونیت به تیتانیوم» توصیف می‌شود – می‌تواند تیتانیوم را شکننده کند، و دیگری این است که افزودن آهن می‌تواند منجر به نقص‌های جدی در قالب تکه‌های بزرگ بتا تیتانیوم شود.

چاپ سه بعدی L-DED، فرآیندی که عموماً برای ساخت قطعات بزرگ و پیچیده استفاده می شود، به محققان این امکان را داد تا بر این چالش ها غلبه کنند.

استفاده از L-DED به تیم اجازه داد تا خواص مکانیکی آلیاژها را تنظیم کنند. دانشمندان بلورهای تیتانیوم در مقیاس نانو را درون آلیاژ تولید کردند که توزیع اتم‌های اکسیژن و آهن را به دقت کنترل می‌کردند. این باعث می‌شود که برخی از بخش‌های خاص آلیاژ مستحکم باشند و برخی دیگر که انعطاف‌پذیر هستند، اطمینان حاصل می‌کنند که مواد تحت کشش شکننده نیستند.

با استفاده از ماژول DED در برنامه Hexagon’s Simufact Welding، تیم یک سری از این تنظیمات را به صورت سه بعدی پرینت و آزمایش کرد. پس از آزمایش، محققان دریافتند که آلیاژهای آنها می تواند با انعطاف پذیری و استحکام سایر آلیاژهای تیتانیوم تجاری رقابت کند.

پروفسور سیمون رینگر، محقق ارشد دانشگاه سیدنی، توضیح داد: «توانمندساز حیاتی، توزیع منحصربه‌فرد اتم‌های اکسیژن و آهن در داخل و بین فازهای آلفا تیتانیوم و بتا تیتانیوم است.

ما یک گرادیان نانومقیاس از اکسیژن را در فاز آلفا تیتانیوم مهندسی کرده‌ایم که دارای بخش‌های با اکسیژن بالا قوی هستند و بخش‌های کم اکسیژن که انعطاف‌پذیر هستند و به ما اجازه می‌دهند تا روی پیوند اتمی محلی کنترل داشته باشیم و پتانسیل را کاهش دهیم. تردی.”

پیشرفت در آلیاژهای چاپ سه بعدی

این اولین بار نیست که از چاپ سه بعدی در توسعه آلیاژهای فلزی استفاده می شود. سال گذشته، محققان کرسی تولید افزودنی دیجیتال دانشگاه RWTH آخن (DAP) از پرینت سه بعدی رسوب مواد لیزری با سرعت بالا (EHLA) برای توسعه آلیاژهای جدید برای همجوشی بستر پودر لیزری (PBF) استفاده کردند.

EHLA در ابتدا در سال 2017 به عنوان برداشت Fraunhofer ILT در مورد رسوب انرژی با حجم بالا (DED) توسعه یافت. تحقیقات RWTH ویژگی‌های فرآیند هر دو فن‌آوری چاپ را مقایسه کرد و نتایج امیدوارکننده‌ای را با توجه به قابلیت انتقال قابلیت‌های مواد آنها به دست آورد. از یافته های خود، تیم DAP استنباط کرد که می تواند EHLA را به عنوان یک پلت فرم توسعه آلیاژ سریع برای چاپ سه بعدی PBF واجد شرایط کند.

در جاهای دیگر، ناسا، سازمان ملی هوانوردی و فضایی ایالات متحده، یک آلیاژ جدید پرینت سه بعدی فلزی را برای استفاده در سیستم های هوافضا با کارایی بالا توسعه داده است. این ماده جدید که GRX-810 نام دارد، نمونه‌ای از آلیاژ تقویت‌شده با پراکندگی اکسید (ODS) است، فلزی حاوی ذرات اکسید در مقیاس نانو. گزارش شده است که این آلیاژ فوق العاده قوی و بادوام است و قادر به تحمل دمای بیش از 1090 درجه سانتیگراد (2000 درجه فارنهایت) است.

دیل هاپکینز، معاون مدیر پروژه پروژه ابزارها و فناوری‌های تبدیل ناسا، اظهار داشت: ذرات اکسید در مقیاس نانو، مزایای عملکردی باورنکردنی این آلیاژ را نشان می‌دهند.

مشترک شدن در خبرنامه صنعت چاپ سه بعدی برای اطمینان از اینکه از آخرین اخبار چاپ سه بعدی مطلع هستید. شما همچنین می توانید ما را دنبال کنید توییتر، مانند ما فیس بوک صفحه و مشترک شوید صنعت چاپ سه بعدی یوتیوب کانال برای دسترسی به محتوای اختصاصی تر

آیا علاقه مند به کار در صنعت تولید مواد افزودنی هستید؟ بازدید کنید مشاغل پرینت سه بعدی برای مشاهده گزیده ای از نقش های موجود و شروع کار خود.

تصویر ویژه یک ریزساختار در مقیاس اتمی را در یک رابط بین فاز آلفا-بتا از یک آلیاژ جدید که توسط تیم با استفاده از رسوب انرژی هدایت شده لیزری چاپ شده است، نشان می دهد. تصویر از طریق ما کیان سایمون رینگر و همکارانش.