محققان RMIT و دانشگاه سیدنی با همکاری دانشگاه پلی تکنیک هنگ کنگ و بخش هوش تولیدی توسعهدهنده نرمافزار سوئدی Hexagon، با موفقیت یک ماده آلیاژی جدید تیتانیوم را توسعه دادند. این دستاورد تحقیقاتی فرصتهای جدیدی را برای کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در زمینههای مختلف باز میکند و پیامدهای مفیدی را برای تحقق روشهای تولید پایدارتر ارائه میدهد.
△نمودار شماتیک ریزساختار آلیاژ تیتانیوم چاپ شده توسط لیزر جهت دهی انرژی رسوب سه بعدی
آلیاژ تیتانیوم پرینت سه بعدی جدید چه می کند؟
این آلیاژ تیتانیوم قوی، چکش خوار، قابل تنظیم و پایدار است. هزینه تولید مرسوم آلیاژهای تیتانیوم بالا است و این تحقیق پتانسیل را برای آلیاژهای تیتانیوم با کارایی بالا با کاربرد در هوافضا، زیست پزشکی، مهندسی شیمی، فضا و انرژی و سایر زمینه ها ارائه می دهد.
تیم تحقیقاتی از ترکیب آلیاژ و طراحی فرآیند چاپ سه بعدی برای پرینت سه بعدی این آلیاژ تیتانیوم جدید از پودر فلز با استفاده از فناوری رسوب انرژی هدایت شده لیزری (L-DED) استفاده کرد. این فرآیند نوآورانه تولید، تولید آلیاژهای تیتانیوم را پایدارتر و مقرون به صرفه تر می کند.
△ آهنگ تینگینگ (چپ) و ما کیان (راست)
پروفسور ما کیان، محقق ارشد از دانشگاه RMIT گفت که آنها مفهوم اقتصاد دایره ای را در طراحی گنجانده اند. آلیاژ جدید را می توان با استفاده از ضایعات و مواد کم عیار، بدون افزودنی های پرهزینه مانند وانادیوم و آلومینیوم، اما با اکسیژن و آهن ارزان و فراوان تولید کرد.
پروفسور کیان توضیح داد: «استفاده مجدد از ضایعات و مواد با کیفیت پایین پتانسیل افزایش ارزش اقتصادی و کاهش ردپای کربن بالای صنعت تیتانیوم را دارد.
نویسنده اصلی این مطالعه Tingting Song، دانشجوی دکترا در RMIT است. او گفت که این تیم در مرحله مهمی از اعتبار سنجی مفهوم جدید خود تا تحقق کاربردهای صنعتی است.
سانگ افزود: "ما دلیلی داریم که هیجان زده باشیم که چاپ سه بعدی روشی کاملا متفاوت برای ساخت آلیاژهای جدید با مزایای واضح نسبت به روش های سنتی ارائه می دهد. فرصت بالقوه ای برای صنعت وجود دارد که از روش ما استفاده کند." استفاده مجدد از ضایعات اسفنج فرو تیتانیوم، پودر تیتانیوم با اکسیژن بالا بازیافت شده "خارج از مشخصات" یا پودر تیتانیوم ساخته شده از ضایعات تیتانیوم با اکسیژن بالا."
△مقاله تحقیقاتی در مجله "Nature" منتشر شده است و عنوان تحقیق "تحقق آلیاژهای اکسید تیتانیوم آهن قوی و سخت از طریق تولید چاپ سه بعدی" است.
چالشهای توسعه آلیاژهای جدید
آلیاژ این تیم از دو شکل کریستال تیتانیوم تشکیل شده است، مخلوطی از فاز آلفا تیتانیوم و فاز بتا تیتانیوم که به نام Ti-6Al-4V شناخته میشود. هر شکل مربوط به آرایش خاصی از اتم ها است.
Ti{0}}Al{1}V متداولترین آلیاژ تیتانیوم است که از 6 درصد آلومینیوم و 4 درصد وانادیوم در روشهای تولید سنتی استفاده میکند که بیش از 50 درصد از بازار آلیاژ تیتانیوم را به خود اختصاص داده است. در مطالعه جدید به جای آلومینیوم و وانادیم از اکسیژن و آهن استفاده شد. این عناصر علاوه بر در دسترس بودن و هزینه نسبتا کم، دو تثبیت کننده و تقویت کننده موثر فازهای تیتانیوم و تیتانیوم هستند.
به طور سنتی، آلیاژهای تیتانیوم حاوی سطوح بالایی از تیتانیوم و اکسیژن با چالشهای توسعه و پذیرش مواجه هستند.
کیان اظهار داشت: «یک چالش این است که اکسیژن، که در محاوره به عنوان «کریپتونیت تیتانیوم» توصیف میشود، باعث شکننده شدن تیتانیوم میشود؛ چالش دیگر این است که افزودن آهن میتواند منجر به نقصهای شدید در مورفولوژی ورقههای بزرگ فاز تیتانیوم شود.
△تیم با موفقیت پرینت سه بعدی ریزساختار سطح اتمی را بر روی رابط فاز آلیاژ جدید از طریق فناوری رسوب انرژی لیزری (L-DED) انجام دادند.
استفاده از فناوری چاپ سه بعدی L-DED محققان را قادر می سازد تا با موفقیت بر چالش ها غلبه کنند
چاپ سه بعدی L-DED اغلب برای ایجاد قطعات بزرگ و پیچیده استفاده می شود و به دانشمندان اجازه می دهد تا خواص مکانیکی آلیاژها را تنظیم کنند. آنها موفق به ایجاد کریستال های تیتانیوم در مقیاس نانو در آلیاژ با کنترل دقیق بر توزیع اتم های اکسیژن و آهن شدند. این امر باعث می شود که برخی از نواحی آلیاژ بسیار قوی باشند، در حالی که برخی دیگر انعطاف پذیر هستند و این امر باعث می شود که مواد در هنگام تنش شکننده نشوند.
این تیم از ماژول DED در نرم افزار Hexagon's Simufact Welding برای پرینت سه بعدی و آزمایش مجموعه ای از این قطعات استفاده کردند. پس از آزمایش، محققان دریافتند که آلیاژ آنها از نظر شکل پذیری و استحکام با سایر آلیاژهای تجاری تیتانیوم قابل مقایسه است.
پروفسور سایمون رینگر از دانشگاه سیدنی توضیح داد: "فعال کننده کلیدی توزیع منحصر به فرد اتم های اکسیژن و آهن بین و در فازهای آلفا تیتانیوم و بتا تیتانیوم است. گرادیان اکسیژن در سطح بالا، از جمله بالا و قوی نواحی اکسیژن و نواحی انعطاف پذیر کم اکسیژن، به ما امکان می دهد پیوند اتمی موضعی را کنترل کنیم و در نتیجه مشکل شکنندگی را کاهش دهیم.
