Các nhà nghiên cứu tại RMIT và Đại học Sydney, phối hợp với Đại học Bách khoa Hồng Kông và bộ phận Trí tuệ Sản xuất của nhà phát triển phần mềm Thụy Điển Hexagon, đã phát triển thành công một vật liệu hợp kim titan mới. Thành tựu nghiên cứu này mở ra những khả năng mới cho việc ứng dụng hợp kim titan trong nhiều lĩnh vực và mang lại những tác động có lợi cho việc hiện thực hóa các phương pháp sản xuất bền vững hơn.
△Sơ đồ cấu trúc vi mô của hợp kim titan được in bằng phương pháp lắng đọng năng lượng định hướng bằng laser 3D
Hợp kim titan in 3D mới làm gì?
Hợp kim titan này chắc chắn, dễ uốn, có thể điều chỉnh và bền vững. Chi phí sản xuất hợp kim titan thông thường cao và nghiên cứu này mang lại tiềm năng cho các hợp kim titan hiệu suất cao mới với các ứng dụng trong hàng không vũ trụ, y sinh, kỹ thuật hóa học, vũ trụ và năng lượng, cùng các lĩnh vực khác.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kết hợp thiết kế quy trình in 3D và hợp kim để in 3D hợp kim titan mới này từ bột kim loại bằng công nghệ lắng đọng năng lượng định hướng bằng laze (L-DED). Quy trình sản xuất sáng tạo này làm cho việc sản xuất hợp kim titan bền vững hơn và giá cả phải chăng hơn.
△Tingting Song (trái) và Ma Qian (phải)
Trưởng nhóm nghiên cứu, giáo sư Ma Qian từ Đại học RMIT cho biết họ đã đưa khái niệm kinh tế tuần hoàn vào thiết kế. Hợp kim mới có thể được sản xuất bằng phế liệu và vật liệu cấp thấp, không có các chất phụ gia đắt tiền như vanadi và nhôm, nhưng với oxy và sắt rẻ và dồi dào.
Giáo sư Qian giải thích: “Việc tái sử dụng chất thải và vật liệu chất lượng thấp có khả năng gia tăng giá trị kinh tế và giảm lượng khí thải carbon cao của ngành công nghiệp titan”.
Tác giả chính của nghiên cứu là Tingting Song, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại RMIT. Cô cho biết nhóm đang ở một giai đoạn quan trọng từ việc xác nhận khái niệm mới của họ để hiện thực hóa các ứng dụng công nghiệp.
Song nói thêm: "Chúng tôi có lý do để vui mừng rằng in 3D mang lại một cách hoàn toàn khác để tạo ra các hợp kim mới với những ưu điểm rõ ràng so với các phương pháp truyền thống. Ngành công nghiệp có cơ hội tiềm năng để tận dụng phương pháp của chúng tôi." Tái sử dụng miếng bọt biển chứa sắt-titan thải, bột titan có hàm lượng oxy cao tái chế "không đúng thông số kỹ thuật" hoặc bột titan được làm từ titan thải có hàm lượng oxy cao."
△ Bài báo nghiên cứu đã được xuất bản trên tạp chí "Nature" và tiêu đề nghiên cứu là "Hiện thực hóa các hợp kim oxit titan bền và cứng thông qua sản xuất in 3D"
Những thách thức trong việc phát triển hợp kim mới
Hợp kim của nhóm bao gồm hai dạng tinh thể titan, hỗn hợp của pha alpha-titan và pha beta-titan, được gọi là Ti-6Al-4V. Mỗi dạng tương ứng với một sự sắp xếp cụ thể của các nguyên tử.
Ti-6Al-4V là hợp kim titan phổ biến nhất, sử dụng 6% nhôm và 4% vanadi trong các phương pháp sản xuất truyền thống, chiếm hơn 50% thị trường hợp kim titan. Nghiên cứu mới đã sử dụng oxy và sắt thay vì nhôm và vanadi. Ngoài việc sẵn có và chi phí tương đối thấp, các nguyên tố này là hai chất ổn định và tăng cường hiệu quả nhất của các pha -titan và -titan.
Theo truyền thống, các hợp kim titan chứa hàm lượng titan và oxy cao đã phải đối mặt với những thách thức trong quá trình phát triển và áp dụng.
Qian nhận xét: "Một thách thức là oxy, được mô tả một cách thông tục là 'kryptonite của titan', khiến titan trở nên giòn; một thách thức khác là việc bổ sung sắt có thể dẫn đến những khiếm khuyết nghiêm trọng về hình thái học của các tấm lớn pha -titan."
△Nhóm đã thực hiện thành công việc in 3D cấu trúc vi mô cấp nguyên tử trên giao diện pha của hợp kim mới thông qua công nghệ lắng đọng năng lượng định hướng bằng laser (L-DED)
Sử dụng công nghệ in 3D L-DED giúp các nhà nghiên cứu vượt qua thử thách thành công
In 3D L-DED thường được sử dụng để tạo ra các bộ phận lớn và phức tạp, đồng thời cho phép các nhà khoa học điều chỉnh các tính chất cơ học của hợp kim. Họ đã thành công trong việc tạo ra các tinh thể titan kích thước nano trong hợp kim với khả năng kiểm soát chính xác sự phân bố oxy và các nguyên tử sắt. Điều này làm cho một số khu vực của hợp kim rất bền, trong khi những khu vực khác thì dễ uốn, đảm bảo vật liệu không trở nên giòn khi bị căng thẳng.
Nhóm đã sử dụng mô-đun DED trong phần mềm hàn Simufact của Hexagon để in 3D và thử nghiệm một loạt các thành phần như vậy. Sau khi thử nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hợp kim của họ có thể so sánh với các hợp kim titan thương mại khác về độ dẻo và độ bền.
Đồng trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Simon Ringer từ Đại học Sydney giải thích: "Yếu tố quyết định chính là sự phân bố độc đáo của các nguyên tử oxy và sắt giữa và trong các pha alpha-titan và beta-titan. Độ dốc oxy ở mức cao, bao gồm cả cường độ cao -vùng oxy và vùng oxy thấp dễ uốn, cho phép chúng tôi kiểm soát liên kết nguyên tử cục bộ và do đó làm giảm bớt vấn đề giòn.
