Nova classe de ligas de titânio "de design" pode ser feita a partir de resíduos

May 06, 2023

Um novo processo de impressão 3D abriu uma nova classe de ligas de titânio fortes, dúcteis e ajustáveis ​​que poderiam ser feitas a partir de resíduos, sem aditivos caros como o vanádio. Também pode funcionar para zircônio, nióbio e molibdênio.

As ligas de titânio são caras, mas são materiais altamente úteis frequentemente usados ​​em situações que exigem alta resistência, baixo peso e resistência a coisas como corrosão e altas temperaturas. Eles são frequentemente encontrados em aplicações aeroespaciais, automotivas de ponta, construção, esportes, industriais e de saúde.

Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade RMIT da Austrália, trabalhando com a Universidade de Sydney, a Universidade Politécnica de Hong Kong e a Hexagon Manufacturing Intelligence em Melbourne, diz que desenvolveu uma maneira fundamentalmente diferente de fazer novas ligas de titânio que são tão fortes e funcionais quanto o titânio/vanádio. / ligas de alumínio, mas que usam oxigênio e ferro baratos e abundantes em vez dos metais mais caros.

Esta é uma grande diferença em relação à fabricação de liga de titânio padrão. O oxigênio, diz a equipe, seria um grande estabilizador e fortalecedor para a fase alfa do titânio, mas também o torna quebradiço e quebradiço – daí seu apelido de “criptonita” do titânio. Existem regras de projeto empírico para ligas industriais de titânio que limitam o teor de oxigênio entre 0,12% e 0,72%, dependendo de qual liga está sendo feita, e o alumínio é normalmente usado para esse fim.

Da mesma forma, o ferro não é apenas barato e abundante, é também o segundo candidato mais leve para a estabilização do titânio em fase beta. Mas tende a fazer com que o beta-titânio se aglomere em grandes manchas, de até centímetros de tamanho, causando defeitos estruturais no metal final. Portanto, também é rigidamente controlado e mantido abaixo de 2% na fabricação da maioria das ligas industriais.

Mas a equipe descobriu que era capaz de eliminar essas desvantagens misturando as ligas como parte de um processo de impressão 3D conhecido como deposição de energia direcionada a pó de metal a laser, o que lhes permitiu prestar atenção cuidadosa à microestrutura do material à medida que era colocado. abaixo.

Eles criaram e imprimiram uma série de ligas usando oxigênio e ferro como estabilizadores e as testaram de várias maneiras, descobrindo que eram capazes de rivalizar com a resistência e a ductilidade das ligas comerciais de titânio. Sendo impressas em 3D, essas novas ligas são criadas nas formas exatas necessárias - mas as propriedades do metal também podem ser adaptadas ao que você está fazendo - daí o apelido de ligas de titânio "designer".

"Esta pesquisa oferece um novo sistema de liga de titânio capaz de uma ampla e ajustável gama de propriedades mecânicas, alta capacidade de fabricação, enorme potencial para redução de emissões e insights para design de materiais em sistemas semelhantes", disse co-pesquisador principal e Pro-Vice da Universidade de Sydney -Chanceler Professor Simon Ringer em um comunicado de imprensa.

"O facilitador crítico é a distribuição única de átomos de oxigênio e ferro dentro e entre as fases alfa-titânio e beta-titânio", explica ele. "Projetamos um gradiente de oxigênio em nanoescala na fase alfa-titânio, apresentando segmentos de alto oxigênio que são fortes e segmentos de baixo oxigênio que são dúcteis, permitindo-nos exercer controle sobre a ligação atômica local e assim mitigar o potencial de fragilização."

A fragilização por oxigênio não é apenas um problema para o titânio – é também um fator chave para impedir que ele seja usado em zircônio, nióbio, molibdênio e outros metais. Os pesquisadores acreditam que o mesmo processo pode ser possível com esses outros metais, mas mais pesquisas são necessárias.

Além de limitar o uso de metais caros, essa técnica também pode reduzir o custo das ligas de titânio, fazendo uso de resíduos industriais reciclados e materiais que atualmente são considerados de baixa qualidade.

O principal autor, Dr. Tingting Song, bolsista de pesquisa do vice-chanceler do RMIT, disse que a equipe está "no início de uma grande jornada, desde a prova de nossos novos conceitos aqui até as aplicações industriais. maneira fundamentalmente diferente de fazer novas ligas e tem vantagens distintas sobre as abordagens tradicionais. Há uma oportunidade potencial para a indústria reutilizar resíduos de liga de titânio-oxigênio-ferro de esponja, pós de titânio com alto teor de oxigênio reciclados "fora das especificações" ou pós de titânio feitos de sucata de titânio com alto teor de oxigênio usando nossa abordagem."