Pesquisadores da RMIT e da Universidade de Sydney, em colaboração com a Universidade Politécnica de Hong Kong e a divisão de Inteligência de Manufatura do desenvolvedor de software sueco Hexagon, desenvolveram com sucesso um novo material de liga de titânio. Esta conquista de pesquisa abre novas possibilidades para a aplicação de ligas de titânio em vários campos e fornece implicações benéficas para a realização de métodos de fabricação mais sustentáveis.
△Diagrama esquemático da microestrutura da liga de titânio impressa por deposição de energia direcionada a laser 3D
O que a nova liga de titânio impressa em 3D faz?
Esta liga de titânio é forte, maleável, ajustável e sustentável. O custo da fabricação convencional de ligas de titânio é alto, e esta pesquisa oferece potencial para novas ligas de titânio de alto desempenho com aplicações em aeroespacial, biomedicina, engenharia química, espaço e energia, entre outros campos.
A equipe de pesquisa usou uma combinação de liga e design de processo de impressão 3D para imprimir em 3D esta nova liga de titânio a partir de pó de metal usando a tecnologia de deposição de energia direcionada a laser (L-DED). Este processo de fabricação inovador torna a produção de ligas de titânio mais sustentável e acessível.
△Tingting Song (à esquerda) e Ma Qian (à direita)
O pesquisador principal, professor Ma Qian, da RMIT University, disse que eles incorporaram o conceito de economia circular ao design. A nova liga pode ser produzida com sucata e materiais de baixa qualidade, sem aditivos caros como vanádio e alumínio, mas com oxigênio e ferro baratos e abundantes.
"A reutilização de resíduos e materiais de baixa qualidade tem o potencial de agregar valor econômico e reduzir a pegada de carbono da indústria de titânio", explicou o professor Qian.
O principal autor do estudo é Tingting Song, um estudante de doutorado da RMIT. Ela disse que a equipe está em um estágio importante desde a validação de seu novo conceito até a realização de aplicações industriais.
Song acrescentou: "Temos motivos para estar entusiasmados com o fato de a impressão 3D oferecer uma maneira completamente diferente de fazer novas ligas com claras vantagens sobre os métodos tradicionais. Há uma oportunidade potencial para a indústria aproveitar nosso método". Reutilização de resíduos de esponja de ferro-titânio, pó de titânio com alto teor de oxigênio reciclado "fora das especificações" ou pó de titânio feito de titânio com alto teor de oxigênio."
△O trabalho de pesquisa foi publicado na revista "Nature", e o título da pesquisa é "Realizando ligas de óxido de ferro e titânio fortes e resistentes por meio da fabricação de impressão 3D"
Desafios no desenvolvimento de novas ligas
A liga da equipe consiste em duas formas de cristais de titânio, uma mistura da fase alfa-titânio e da fase beta-titânio, conhecida como Ti-6Al-4V. Cada forma corresponde a um arranjo específico de átomos.
Ti-6Al-4V é a liga de titânio mais comum, usando 6% de alumínio e 4% de vanádio nos métodos de produção tradicionais, respondendo por mais de 50% do mercado de ligas de titânio. O novo estudo usou oxigênio e ferro em vez de alumínio e vanádio. Além de serem prontamente disponíveis e de custo relativamente baixo, esses elementos são os dois estabilizadores e fortalecedores mais eficazes das fases -titânio e -titânio.
Tradicionalmente, as ligas de titânio contendo altos níveis de titânio e oxigênio enfrentaram desafios de desenvolvimento e adoção.
Qian comentou: "Um desafio é que o oxigênio, coloquialmente descrito como 'criptonita de titânio', faz com que o titânio se torne quebradiço; outro desafio é que a adição de ferro pode levar a graves defeitos na morfologia de grandes folhas de fase -titânio".
△A equipe realizou com sucesso a impressão 3D da microestrutura em nível atômico na interface de fase da nova liga por meio da tecnologia de deposição de energia direcionada a laser (L-DED)
O uso da tecnologia de impressão 3D L-DED permite que os pesquisadores superem desafios com sucesso
A impressão 3D L-DED é frequentemente usada para criar peças grandes e complexas e permite que os cientistas ajustem as propriedades mecânicas das ligas. Eles conseguiram criar cristais de titânio em nanoescala na liga com controle preciso sobre a distribuição de oxigênio e átomos de ferro. Isso torna certas áreas da liga muito fortes, enquanto outras são dúcteis, garantindo que o material não se torne quebradiço quando solicitado.
A equipe usou o módulo DED no software Simufact Welding da Hexagon para imprimir em 3D e testar uma série desses componentes. Após o teste, os pesquisadores descobriram que sua liga era comparável a outras ligas comerciais de titânio em ductilidade e resistência.
O co-pesquisador principal, professor Simon Ringer, da Universidade de Sydney, explicou: "O principal facilitador é a distribuição única de átomos de oxigênio e ferro entre e dentro das fases alfa-titânio e beta-titânio. O gradiente de oxigênio de alto nível, incluindo forte alta -regiões de oxigênio e regiões dúcteis de baixo oxigênio, nos permite controlar a ligação atômica local e, assim, aliviar o problema de fragilidade.
