Forscher am RMIT und der University of Sydney haben in Zusammenarbeit mit der Hong Kong Polytechnic University und der Manufacturing Intelligence-Abteilung des schwedischen Softwareentwicklers Hexagon erfolgreich ein neues Titanlegierungsmaterial entwickelt. Diese Forschungsleistung eröffnet neue Möglichkeiten für die Anwendung von Titanlegierungen in verschiedenen Bereichen und bietet positive Auswirkungen auf die Umsetzung nachhaltigerer Herstellungsmethoden.
△Schematische Darstellung der Mikrostruktur einer Titanlegierung, gedruckt durch lasergesteuerte Energieabscheidung 3D
Was macht die neue 3D-gedruckte Titanlegierung?
Diese Titanlegierung ist stark, formbar, anpassbar und langlebig. Die Kosten für die herkömmliche Herstellung von Titanlegierungen sind hoch, und diese Forschung bietet das Potenzial für neue Hochleistungstitanlegierungen mit Anwendungen unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, Biomedizin, Chemietechnik, Raumfahrt und Energie.
Das Forschungsteam nutzte eine Kombination aus Legierung und 3D-Druckprozessdesign, um diese neue Titanlegierung aus Metallpulver mithilfe der L-DED-Technologie (Laser Directed Energy Deposition) in 3D zu drucken. Dieses innovative Herstellungsverfahren macht die Herstellung von Titanlegierungen nachhaltiger und erschwinglicher.
△Tingting Song (links) und Ma Qian (rechts)
Der leitende Forscher Professor Ma Qian von der RMIT University sagte, sie hätten das Konzept der Kreislaufwirtschaft in den Entwurf einbezogen. Die neue Legierung kann aus Schrott und minderwertigen Materialien hergestellt werden, ohne teure Zusatzstoffe wie Vanadium und Aluminium, dafür aber mit billigem und reichlich vorhandenem Sauerstoff und Eisen.
„Die Wiederverwendung von Abfällen und minderwertigen Materialien hat das Potenzial, einen wirtschaftlichen Mehrwert zu schaffen und den hohen CO2-Fußabdruck der Titanindustrie zu verringern“, erklärte Professor Qian.
Der Hauptautor der Studie ist Tingting Song, ein Doktorand am RMIT. Sie sagte, das Team befinde sich in einer wichtigen Phase von der Validierung seines neuen Konzepts bis zur Realisierung industrieller Anwendungen.
Song fügte hinzu: „Wir haben Grund zur Freude, dass der 3D-Druck eine völlig andere Möglichkeit zur Herstellung neuer Legierungen mit klaren Vorteilen gegenüber herkömmlichen Methoden bietet. Es besteht eine potenzielle Chance für die Industrie, unsere Methode zu nutzen.“ Wiederverwendung von Ferro-Titan-Schwammabfällen, „nicht den Spezifikationen entsprechendem“ recyceltem Titanpulver mit hohem Sauerstoffgehalt oder Titanpulver, das aus Titanabfällen mit hohem Sauerstoffgehalt hergestellt wird.“
△Die Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht und der Forschungstitel lautet „Realizing Strong and Tough Iron Titanium Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing“.
Herausforderungen bei der Entwicklung neuer Legierungen
Die Legierung des Teams besteht aus zwei Formen von Titankristallen, einer Mischung aus der Alpha-Titan-Phase und der Beta-Titan-Phase, bekannt als Ti-6Al-4V. Jede Form entspricht einer bestimmten Anordnung von Atomen.
Ti-6Al-4V ist die am weitesten verbreitete Titanlegierung, die bei traditionellen Produktionsmethoden 6 Prozent Aluminium und 4 Prozent Vanadium verwendet und mehr als 50 Prozent des Titanlegierungsmarktes ausmacht. Die neue Studie verwendete Sauerstoff und Eisen anstelle von Aluminium und Vanadium. Diese Elemente sind nicht nur leicht verfügbar und relativ kostengünstig, sondern auch die beiden wirksamsten Stabilisatoren und Festiger der -Titan- und -Titan-Phasen.
Traditionell standen Titanlegierungen mit einem hohen Anteil an Titan und Sauerstoff vor Herausforderungen bei der Entwicklung und Einführung.
Qian kommentierte: „Eine Herausforderung besteht darin, dass Sauerstoff, umgangssprachlich als ‚Kryptonit des Titans‘ bezeichnet, dazu führt, dass Titan spröde wird. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Zugabe von Eisen zu schwerwiegenden Defekten in der Morphologie großer Schichten der Titanphase führen kann.“
△Das Team realisierte erfolgreich den 3D-Druck einer Mikrostruktur auf atomarer Ebene auf der Phasengrenzfläche der neuen Legierung mithilfe der L-DED-Technologie (Laser Directed Energy Deposition).
Der Einsatz der L-DED 3D-Drucktechnologie ermöglicht es Forschern, Herausforderungen erfolgreich zu meistern
Der L-DED-3D-Druck wird häufig zur Herstellung großer und komplexer Teile eingesetzt und ermöglicht es Wissenschaftlern, die mechanischen Eigenschaften von Legierungen abzustimmen. Es gelang ihnen, nanoskalige Titankristalle in der Legierung zu erzeugen und dabei die Verteilung der Sauerstoff- und Eisenatome präzise zu steuern. Dadurch werden bestimmte Bereiche der Legierung sehr fest, während andere duktil sind, sodass das Material bei Belastung nicht spröde wird.
Das Team nutzte das DED-Modul in der Simufact Welding-Software von Hexagon, um eine Reihe solcher Komponenten in 3D zu drucken und zu testen. Nach Tests stellten die Forscher fest, dass ihre Legierung hinsichtlich Duktilität und Festigkeit mit anderen kommerziellen Titanlegierungen vergleichbar war.
Der leitende Forscher Professor Simon Ringer von der University of Sydney erklärte: „Der Schlüsselfaktor ist die einzigartige Verteilung von Sauerstoff- und Eisenatomen zwischen und innerhalb der Alpha-Titan- und Beta-Titan-Phasen. Der hohe Sauerstoffgradient, einschließlich starker Hochs.“ -Sauerstoffregionen und duktilen Regionen mit niedrigem Sauerstoffgehalt ermöglicht es uns, die lokale Atombindung zu kontrollieren und so das Sprödigkeitsproblem zu lindern.
