Nueva clase de aleaciones de titanio de "diseño" podrían fabricarse a partir de desechos

May 06, 2023

Un novedoso proceso de impresión 3D ha abierto una nueva clase de aleaciones de titanio fuertes, dúctiles y sintonizables que podrían fabricarse potencialmente a partir de productos de desecho, sin aditivos costosos como el vanadio. También puede funcionar para circonio, niobio y molibdeno.

Las aleaciones de titanio son materiales costosos, pero muy útiles, que se usan con frecuencia en situaciones que requieren alta resistencia, bajo peso y resistencia a cosas como la corrosión y las altas temperaturas. A menudo se encuentran en aplicaciones aeroespaciales, automotrices de alta gama, construcción, deportivas, industriales y de salud.

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad RMIT de Australia, en colaboración con la Universidad de Sídney, la Universidad Politécnica de Hong Kong y la inteligencia de fabricación de Hexagon en Melbourne, dice que ha desarrollado una forma fundamentalmente diferente de fabricar nuevas aleaciones de titanio que son tan fuertes y viables como el titanio/vanadio. /aleaciones de aluminio, pero que utilizan oxígeno y hierro baratos y abundantes en lugar de los metales más caros.

Esta es una gran desviación de la fabricación estándar de aleación de titanio. El oxígeno, dice el equipo, sería un gran estabilizador y fortalecedor de la fase alfa del titanio, pero también hace que se vuelva quebradizo y se agriete, de ahí su apodo como la "criptonita" del titanio. Existen reglas de diseño empíricas para las aleaciones industriales de titanio que limitan el contenido de oxígeno entre 0,12 % y 0,72 %, según la aleación que se esté fabricando, y en su lugar se suele utilizar aluminio para este fin.

Del mismo modo, el hierro no solo es barato y abundante, sino que también es el segundo candidato más ligero para la estabilización de titanio en fase beta. Pero tiende a hacer que el beta-titanio se aglomere en grandes motas, de hasta centímetros de tamaño, causando defectos estructurales en el metal final. Por lo tanto, también está estrictamente controlado y se mantiene por debajo del 2 % en la mayoría de las aleaciones industriales.

Pero el equipo descubrió que podía eliminar estos inconvenientes al mezclar las aleaciones como parte de un proceso de impresión 3D conocido como deposición de energía dirigida por polvo metálico láser, lo que les permitió prestar mucha atención a la microestructura del material a medida que se colocaba. abajo.

Crearon e imprimieron una serie de aleaciones utilizando oxígeno y hierro como estabilizadores, y las probaron de varias maneras y descubrieron que podían rivalizar en resistencia y ductilidad con las aleaciones comerciales de titanio. Al ser impresas en 3D, estas nuevas aleaciones se crean en las formas exactas requeridas, pero las propiedades del metal también se pueden adaptar a lo que está haciendo, de ahí el apodo de aleaciones de titanio de "diseñador".

"Esta investigación ofrece un nuevo sistema de aleación de titanio capaz de una amplia gama ajustable de propiedades mecánicas, alta capacidad de fabricación, enorme potencial para la reducción de emisiones y conocimientos para el diseño de materiales en sistemas afines", dijo el co-investigador principal y vicedirector de la Universidad de Sydney. -Canciller Profesor Simon Ringer en un comunicado de prensa.

"El habilitador crítico es la distribución única de átomos de oxígeno y hierro dentro y entre las fases de titanio alfa y titanio beta", explica. "Hemos diseñado un gradiente de oxígeno a nanoescala en la fase de alfa-titanio, que presenta segmentos con alto contenido de oxígeno que son fuertes y segmentos con bajo contenido de oxígeno que son dúctiles, lo que nos permite ejercer control sobre el enlace atómico local y así mitigar el potencial de fragilidad".

La fragilización por oxígeno no es solo un problema para el titanio, también es un factor clave que impide su uso en circonio, niobio, molibdeno y otros metales. Los investigadores creen que el mismo proceso puede ser posible con estos otros metales, pero se necesita más investigación.

Además de limitar el uso de metales costosos, esta técnica también podría reducir el costo de las aleaciones de titanio al utilizar productos de desecho industrial reciclado y materiales que actualmente se consideran de baja calidad.

El autor principal, el Dr. Tingting Song, miembro de investigación del vicecanciller de RMIT, dijo que el equipo está "al comienzo de un gran viaje, desde la prueba de nuestros nuevos conceptos aquí, hacia las aplicaciones industriales. Hay motivos para estar entusiasmado: la impresión 3D ofrece una forma fundamentalmente diferente de hacer aleaciones novedosas y tiene claras ventajas sobre los enfoques tradicionales Existe una oportunidad potencial para que la industria reutilice desechos de aleaciones de titanio-oxígeno-hierro, polvos de titanio con alto contenido de oxígeno reciclados 'fuera de las especificaciones' o polvos de titanio hechos de chatarra de titanio con alto contenido de oxígeno usando nuestro enfoque".

La investigación es de acceso abierto en la revista Nature.

Fuente: Universidad RMIT