Penyelidik di RMIT dan Universiti Sydney, dengan kerjasama Universiti Politeknik Hong Kong dan bahagian Perisikan Pembuatan bagi pembangun perisian Sweden Hexagon, telah berjaya membangunkan bahan aloi titanium baharu. Pencapaian penyelidikan ini membuka kemungkinan baharu untuk aplikasi aloi titanium dalam pelbagai bidang dan memberikan implikasi yang bermanfaat untuk merealisasikan kaedah pembuatan yang lebih mampan.
△Rajah skematik struktur mikro aloi titanium yang dicetak oleh pemendapan tenaga terarah laser 3D
Apakah yang dilakukan oleh aloi titanium bercetak 3D baharu?
Aloi titanium ini kuat, boleh ditempa, boleh laras dan mampan. Kos pembuatan aloi titanium secara konvensional adalah tinggi, dan penyelidikan ini menawarkan potensi untuk aloi titanium berprestasi tinggi baharu dengan aplikasi dalam aeroangkasa, bioperubatan, kejuruteraan kimia, angkasa dan tenaga, antara bidang lain.
Pasukan penyelidik menggunakan gabungan reka bentuk proses cetakan aloi dan 3D untuk mencetak 3D aloi titanium baharu ini daripada serbuk logam menggunakan teknologi pemendapan tenaga terarah laser (L-DED). Proses pembuatan yang inovatif ini menjadikan pengeluaran aloi titanium lebih mampan dan berpatutan.
△Lagu Tingting (kiri) dan Ma Qian (kanan)
Ketua penyelidik Profesor Ma Qian dari Universiti RMIT berkata mereka menggabungkan konsep ekonomi bulat ke dalam reka bentuk. Aloi baru boleh dihasilkan menggunakan bahan sekerap dan gred rendah, tanpa bahan tambahan yang mahal seperti vanadium dan aluminium, tetapi dengan oksigen dan besi yang murah dan banyak.
"Penggunaan semula bahan buangan dan berkualiti rendah berpotensi menambah nilai ekonomi dan mengurangkan jejak karbon tinggi industri titanium," jelas Profesor Qian.
Penulis utama kajian itu ialah Tingting Song, seorang pelajar PhD di RMIT. Beliau berkata pasukan itu berada di peringkat penting daripada mengesahkan konsep baharu mereka kepada merealisasikan aplikasi industri.
Song menambah: "Kami mempunyai sebab untuk teruja bahawa percetakan 3D menawarkan cara yang sama sekali berbeza untuk membuat aloi baharu dengan kelebihan yang jelas berbanding kaedah tradisional. Terdapat peluang yang berpotensi untuk industri memanfaatkan kaedah kami." Penggunaan semula span ferro-titanium buangan, serbuk titanium beroksigen tinggi "luar spesifikasi" kitar semula, atau serbuk titanium yang diperbuat daripada titanium sisa oksigen tinggi."
△Kertas penyelidikan telah diterbitkan dalam jurnal "Nature", dan tajuk penyelidikan ialah "Realizing Strong and Tough Iron Titanium Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing"
Cabaran dalam membangunkan aloi baharu
Aloi pasukan terdiri daripada dua bentuk kristal titanium, campuran fasa alfa-titanium dan fasa beta-titanium, dikenali sebagai Ti-6Al-4V. Setiap bentuk sepadan dengan susunan atom tertentu.
Ti-6Al-4V ialah aloi titanium yang paling biasa, menggunakan 6 peratus aluminium dan 4 peratus vanadium dalam kaedah pengeluaran tradisional, menyumbang lebih daripada 50 peratus daripada pasaran aloi titanium. Kajian baru menggunakan oksigen dan besi dan bukannya aluminium dan vanadium. Selain mudah didapati dan kos yang agak rendah, unsur-unsur ini adalah dua penstabil dan pengukuh yang paling berkesan bagi fasa -titanium dan -titanium.
Secara tradisinya, aloi titanium yang mengandungi tahap titanium dan oksigen yang tinggi telah menghadapi cabaran pembangunan dan penggunaan.
Qian mengulas: "Satu cabaran ialah oksigen, yang secara bahasa diterangkan sebagai 'kryptonite titanium', menyebabkan titanium menjadi rapuh; cabaran lain ialah penambahan besi boleh menyebabkan kecacatan teruk pada morfologi kepingan besar fasa -titanium."
△Pasukan berjaya merealisasikan pencetakan 3D struktur mikro peringkat atom pada antara muka fasa aloi baharu melalui teknologi pemendapan tenaga terarah laser (L-DED)
Menggunakan teknologi percetakan 3D L-DED membolehkan penyelidik berjaya mengatasi cabaran
Percetakan 3D L-DED sering digunakan untuk mencipta bahagian yang besar dan kompleks, dan ia membolehkan saintis menala sifat mekanikal aloi. Mereka berjaya mencipta kristal titanium skala nano dalam aloi dengan kawalan tepat ke atas pengedaran atom oksigen dan besi. Ini menjadikan kawasan tertentu aloi sangat kuat, manakala yang lain mulur, memastikan bahan tidak menjadi rapuh apabila ditekankan.
Pasukan itu menggunakan modul DED dalam perisian Kimpalan Simufact Hexagon untuk mencetak 3D dan menguji satu siri komponen tersebut. Selepas ujian, para penyelidik mendapati bahawa aloi mereka adalah setanding dengan aloi titanium komersial lain dalam kemuluran dan kekuatan.
Ketua penyelidik bersama Profesor Simon Ringer dari Universiti Sydney menjelaskan: "Pengupaya utama ialah pengedaran unik oksigen dan atom besi antara dan dalam fasa alfa-titanium dan beta-titanium. Kecerunan oksigen peringkat tinggi, termasuk tinggi yang kuat -kawasan oksigen dan kawasan rendah oksigen mulur, membolehkan kita mengawal ikatan atom tempatan dan dengan itu mengurangkan masalah kerapuhan.
