Una nuova classe di leghe di titanio “design” potrebbe essere prodotta dai rifiuti

May 06, 2023

Un nuovo processo di stampa 3D ha aperto una nuova classe di leghe di titanio resistenti, duttili e sintonizzabili che potrebbero potenzialmente essere realizzate da prodotti di scarto, senza additivi costosi come il vanadio. Può funzionare anche per zirconio, niobio e molibdeno.

Le leghe di titanio sono materiali costosi ma altamente utili, spesso utilizzati in situazioni che richiedono elevata resistenza, peso ridotto e resistenza a cose come la corrosione e le alte temperature. Si trovano spesso nel settore aerospaziale, automobilistico di fascia alta, edile, sportivo, industriale e sanitario.

Un gruppo di ricerca guidato dall'Università australiana RMIT, in collaborazione con l'Università di Sydney, il Politecnico di Hong Kong e l'intelligence Hexagon Manufacturing di Melbourne, afferma di aver sviluppato un modo fondamentalmente diverso di produrre nuove leghe di titanio che siano altrettanto resistenti e lavorabili del titanio/vanadio /leghe di alluminio, ma che utilizzano ossigeno e ferro economici e abbondanti invece dei metalli più costosi.

Si tratta di un enorme allontanamento dalla produzione standard delle leghe di titanio. L'ossigeno, afferma il team, sarebbe un ottimo stabilizzatore e rinforzante per la fase alfa del titanio, ma lo rende anche fragile e si rompe, da qui il suo soprannome di "kriptonite" del titanio. Esistono regole di progettazione empiriche per le leghe di titanio industriali che limitano il contenuto di ossigeno tra lo 0,12% e lo 0,72%, a seconda della lega prodotta, e per questo scopo viene generalmente utilizzato l'alluminio.

Allo stesso modo, il ferro non è solo economico e abbondante, ma è anche il secondo candidato più leggero per la stabilizzazione del titanio in fase beta. Ma tende a far sì che il beta-titanio si raggruppi in grandi macchie, fino a pochi centimetri di dimensione, causando difetti strutturali nel metallo finale. Quindi è anche strettamente controllato e mantenuto al di sotto del 2% nella maggior parte della produzione di leghe industriali.

Ma il team ha scoperto di essere in grado di eliminare questi inconvenienti mescolando le leghe come parte di un processo di stampa 3D noto come deposizione di energia diretta da polvere metallica laser, che ha permesso loro di prestare particolare attenzione alla microstruttura del materiale mentre veniva posato. giù.

Hanno creato e stampato una serie di leghe utilizzando ossigeno e ferro come stabilizzanti e le hanno testate in diversi modi, scoprendo che erano in grado di competere con la resistenza e la duttilità delle leghe di titanio commerciali. Essendo stampate in 3D, queste nuove leghe vengono create nelle esatte forme richieste – ma le proprietà del metallo possono anche essere adattate a ciò che stai realizzando – da qui il soprannome di leghe di titanio “designer”.

"Questa ricerca fornisce un nuovo sistema di leghe di titanio capace di un'ampia e personalizzabile gamma di proprietà meccaniche, elevata producibilità, enorme potenziale di riduzione delle emissioni e approfondimenti per la progettazione dei materiali in sistemi affini", ha affermato il ricercatore co-responsabile e Pro-Vice dell'Università di Sydney -Il rettore, professor Simon Ringer, in un comunicato stampa.

"Il fattore determinante è la distribuzione unica degli atomi di ossigeno e ferro all'interno e tra le fasi alfa-titanio e beta-titanio", spiega. "Abbiamo progettato un gradiente di ossigeno su scala nanometrica nella fase alfa-titanio, caratterizzato da segmenti ad alto contenuto di ossigeno che sono forti e segmenti a basso contenuto di ossigeno che sono duttili permettendoci di esercitare il controllo sul legame atomico locale e quindi mitigare il potenziale di infragilimento."

L'infragilimento dovuto all'ossigeno non è solo un problema per il titanio: è anche un fattore chiave che ne impedisce l'utilizzo nello zirconio, nel niobio, nel molibdeno e in altri metalli. I ricercatori ritengono che lo stesso processo possa essere possibile con questi altri metalli, ma sono necessarie ulteriori ricerche.

Oltre a limitare l’uso di metalli costosi, questa tecnica potrebbe anche ridurre il costo delle leghe di titanio, utilizzando prodotti e materiali di scarto industriale riciclati che attualmente sono considerati di bassa qualità.

L'autore principale, il dottor Tingting Song, ricercatore del vicecancelliere RMIT, ha affermato che il team è "all'inizio di un viaggio importante, dalla prova dei nostri nuovi concetti qui, verso le applicazioni industriali. Ci sono motivi per essere entusiasti: la stampa 3D offre un modo fondamentalmente diverso di produrre nuove leghe e presenta vantaggi distinti rispetto agli approcci tradizionali. Esiste una potenziale opportunità per l'industria di riutilizzare le leghe di spugna di titanio-ossigeno-ferro di scarto, le polveri di titanio riciclate ad alto contenuto di ossigeno "fuori specifica" o le polveri di titanio ottenute da rottami di titanio ad alto contenuto di ossigeno utilizzando il nostro approccio."