Se podría fabricar una nueva clase de aleaciones de titanio "de diseño" a partir de residuos

Jun 29, 2023

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

Las aleaciones de titanio son materiales costosos, pero muy útiles, que se utilizan 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, de construcción, deportivas, industriales y de salud.

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

Esto supone un gran cambio con respecto a la fabricación estándar de aleaciones 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 de "kriptonita" del titanio. Existen reglas de diseño empírico 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 normalmente se utiliza aluminio para este propósito.

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

Pero el equipo descubrió que podía eliminar estos inconvenientes mezclando las aleaciones como parte de un proceso de impresión 3D conocido como deposición de energía dirigida por polvo metálico con láser, lo que les permitió prestar cuidadosa 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 estar impresas en 3D, estas nuevas aleaciones se crean con las formas exactas requeridas, pero las propiedades del metal también se pueden adaptar a lo que se está fabricando, de ahí el apodo de aleaciones de titanio de "diseño".

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

"El factor fundamental es la distribución única de átomos de oxígeno y hierro dentro y entre las fases de alfa-titanio y beta-titanio", explica. "Hemos diseñado un gradiente de oxígeno a nanoescala en la fase de alfa-titanio, que presenta alta segmentos 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 fragilización”.

La fragilidad por oxígeno no es sólo 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 caros, esta técnica también podría reducir el coste de las aleaciones de titanio al utilizar productos y materiales de residuos industriales reciclados que actualmente se consideran de baja calidad.

El autor principal, el Dr. Tingting Song, investigador del vicecanciller de RMIT, dijo que el equipo está “en el comienzo de un importante viaje, desde la prueba de nuestros nuevos conceptos aquí hasta las aplicaciones industriales. Hay motivos para estar entusiasmados: la impresión 3D ofrece una forma fundamentalmente diferente de fabricar aleaciones novedosas y tiene claras ventajas sobre los enfoques tradicionales. Existe una oportunidad potencial para que la industria reutilice residuos de aleaciones de titanio, oxígeno y hierro, polvos de titanio reciclados con alto contenido de oxígeno 'fuera de especificación' o polvos de titanio fabricados a partir de desechos de titanio con alto contenido de oxígeno utilizando nuestro enfoque".

La investigación es de acceso abierto en la revista Nature.

Fuente: Universidad RMIT