Aus Abfall könnte eine neue Klasse von „Designer“-Titanlegierungen hergestellt werden

May 06, 2023

Ein neuartiges 3D-Druckverfahren hat eine neue Klasse starker, duktiler und abstimmbarer Titanlegierungen eröffnet, die möglicherweise aus Abfallprodukten ohne teure Zusatzstoffe wie Vanadium hergestellt werden könnten. Es funktioniert möglicherweise auch für Zirkonium, Niob und Molybdän.

Titanlegierungen sind teure, aber äußerst nützliche Materialien, die häufig in Situationen eingesetzt werden, in denen hohe Festigkeit, geringes Gewicht und Beständigkeit gegen Korrosion und hohe Temperaturen erforderlich sind. Man findet sie häufig in der Luft- und Raumfahrt, in High-End-Automobil-, Bau-, Sport-, Industrie- und Gesundheitsanwendungen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der australischen RMIT University, das mit der University of Sydney, der Hong Kong Polytechnic University und Hexagon Manufacturing Intelligence in Melbourne zusammenarbeitet, sagt, dass es eine grundlegend andere Methode zur Herstellung neuer Titanlegierungen entwickelt hat, die genauso stark und bearbeitbar sind wie Titan/Vanadium /Aluminiumlegierungen, die jedoch billigen, reichlich vorhandenen Sauerstoff und Eisen anstelle der teureren Metalle verwenden.

Dies ist eine große Abweichung von der herkömmlichen Herstellung von Titanlegierungen. Sauerstoff wäre, so das Team, ein großartiger Stabilisator und Verstärker für die Alpha-Phase von Titan, aber es mache es auch spröde und rissig – daher der Spitzname „Kryptonit“ von Titan. Es gibt empirische Designregeln für industrielle Titanlegierungen, die den Sauerstoffgehalt je nach hergestellter Legierung auf 0,12 % bis 0,72 % begrenzen. Zu diesem Zweck wird stattdessen typischerweise Aluminium verwendet.

Ebenso ist Eisen nicht nur billig und reichlich vorhanden, es ist auch der zweitleichteste Kandidat für die Beta-Phasen-Titanstabilisierung. Allerdings neigt es dazu, dass sich das Beta-Titan in großen, bis zu Zentimeter großen Flecken verklumpt, was zu Strukturfehlern im fertigen Metall führt. Deshalb wird er auch streng kontrolliert und in den meisten industriellen Legierungsfertigungen unter 2 % gehalten.

Das Team stellte jedoch fest, dass es diese Nachteile beseitigen konnte, indem es die Legierungen im Rahmen eines 3D-Druckverfahrens vermischte, das als Laser-Metallpulver-gesteuerte Energieabscheidung bekannt ist und es ihm ermöglichte, beim Auftragen sorgfältig auf die Mikrostruktur des Materials zu achten runter.

Sie erstellten und druckten eine Reihe von Legierungen mit Sauerstoff und Eisen als Stabilisatoren und testeten sie auf verschiedene Weise. Dabei stellten sie fest, dass sie mit der Festigkeit und Duktilität handelsüblicher Titanlegierungen mithalten konnten. Durch den 3D-Druck werden diese neuen Legierungen in genau den erforderlichen Formen hergestellt – die Eigenschaften des Metalls können jedoch auch an das, was Sie herstellen, angepasst werden – daher der Spitzname „Designer“-Titanlegierungen.

„Diese Forschung liefert ein neues Titanlegierungssystem, das über ein breites und einstellbares Spektrum an mechanischen Eigenschaften, eine hohe Herstellbarkeit, ein enormes Potenzial zur Emissionsreduzierung und Erkenntnisse für das Materialdesign in verwandten Systemen verfügt“, sagte Co-Leiterforscher und Pro-Vice der University of Sydney -Kanzler Professor Simon Ringer in einer Pressemitteilung.

„Der entscheidende Faktor ist die einzigartige Verteilung der Sauerstoff- und Eisenatome innerhalb und zwischen den Alpha-Titan- und Beta-Titan-Phasen“, erklärt er. „Wir haben einen nanoskaligen Sauerstoffgradienten in der Alpha-Titan-Phase entwickelt, der starke sauerstoffreiche Segmente und duktile sauerstoffarme Segmente aufweist, die es uns ermöglichen, die lokale Atombindung zu kontrollieren und so das Potenzial für zu mildern Versprödung.“

Sauerstoffversprödung ist nicht nur ein Problem für Titan, sondern auch ein entscheidender Faktor, der die Verwendung in Zirkonium, Niob, Molybdän und anderen Metallen verhindert. Die Forscher glauben, dass der gleiche Prozess mit diesen anderen Metallen möglich sein könnte, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.

Diese Technik begrenzt nicht nur den Einsatz teurer Metalle, sondern könnte auch die Kosten für Titanlegierungen senken, indem recycelte Industrieabfälle und Materialien verwendet werden, die derzeit als minderwertig gelten.

Der Hauptautor Dr. Tingting Song, Forschungsstipendiat des RMIT-Vizekanzlers, sagte, das Team stehe „am Anfang einer großen Reise, vom Beweis unserer neuen Konzepte hier bis hin zu industriellen Anwendungen. Es gibt Grund zur Begeisterung – der 3D-Druck bietet eine Dies ist eine grundsätzlich andere Art der Herstellung neuartiger Legierungen und bietet deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Ansätzen. Es besteht eine potenzielle Möglichkeit für die Industrie, Abfallschwamm-Titan-Sauerstoff-Eisen-Legierungen, „nicht den Spezifikationen entsprechende“ recycelte Titanpulver mit hohem Sauerstoffgehalt oder daraus hergestellte Titanpulver wiederzuverwenden Mit unserem Ansatz können wir Titanschrott mit hohem Sauerstoffgehalt herstellen.“

Die Forschung ist Open Access in der Zeitschrift Nature.

Quelle: RMIT University