Une nouvelle classe d'alliages de titane "designer" pourrait être fabriquée à partir de déchets

May 06, 2023

Un nouveau procédé d'impression 3D a ouvert une nouvelle classe d'alliages de titane solides, ductiles et accordables qui pourraient potentiellement être fabriqués à partir de déchets, sans additifs coûteux comme le vanadium. Cela peut également fonctionner pour le zirconium, le niobium et le molybdène.

Les alliages de titane sont des matériaux coûteux, mais très utiles, fréquemment utilisés dans des situations nécessitant une résistance élevée, un faible poids et une résistance à des éléments tels que la corrosion et les températures élevées. On les trouve souvent dans les applications aérospatiales, automobiles haut de gamme, construction, sports, industrie et santé.

Une équipe de recherche dirigée par l'Université australienne RMIT, en collaboration avec l'Université de Sydney, l'Université polytechnique de Hong Kong et Hexagon Manufacturing intelligence à Melbourne, affirme avoir développé une manière fondamentalement différente de fabriquer de nouveaux alliages de titane qui sont tout aussi solides et utilisables que le titane/vanadium. / alliages d'aluminium, mais qui utilisent de l'oxygène et du fer bon marché et abondants au lieu des métaux plus chers.

Il s'agit d'un énorme changement par rapport à la fabrication standard d'alliages de titane. L'oxygène, dit l'équipe, serait un excellent stabilisant et renforçateur pour la phase alpha du titane, mais il le rend également cassant et se fissure - d'où son surnom de "kryptonite" du titane. Il existe des règles de conception empiriques pour les alliages de titane industriels qui limitent la teneur en oxygène entre 0,12% et 0,72%, selon l'alliage fabriqué, et l'aluminium est généralement utilisé à cette fin à la place.

De même, le fer n'est pas seulement bon marché et abondant, c'est aussi le deuxième candidat le plus léger pour la stabilisation du titane en phase bêta. Mais cela a tendance à faire s'agglutiner le bêta-titane en grandes taches, jusqu'à des centimètres de taille, provoquant des défauts structurels dans le métal final. Il est donc également étroitement contrôlé et maintenu en dessous de 2 % dans la plupart des fabrications d'alliages industriels.

Mais l'équipe a découvert qu'elle était capable d'éliminer ces inconvénients en mélangeant les alliages dans le cadre d'un processus d'impression 3D connu sous le nom de dépôt d'énergie dirigé par poudre métallique au laser, ce qui leur a permis de prêter une attention particulière à la microstructure du matériau lors de sa pose. bas.

Ils ont créé et imprimé une série d'alliages utilisant de l'oxygène et du fer comme stabilisants, et les ont testés de plusieurs façons, découvrant qu'ils étaient capables de rivaliser avec la résistance et la ductilité des alliages de titane commerciaux. Imprimés en 3D, ces nouveaux alliages sont créés dans les formes exactes requises - mais les propriétés du métal peuvent également être adaptées à ce que vous fabriquez - d'où le surnom d'alliages de titane "designer".

"Cette recherche fournit un nouveau système d'alliage de titane capable d'une large gamme réglable de propriétés mécaniques, d'une manufacturabilité élevée, d'un énorme potentiel de réduction des émissions et d'informations pour la conception de matériaux dans des systèmes apparentés", a déclaré le co-chercheur principal et vice-président de l'Université de Sydney. -Chancelier professeur Simon Ringer dans un communiqué de presse.

"Le catalyseur critique est la distribution unique des atomes d'oxygène et de fer dans et entre les phases alpha-titane et bêta-titane", explique-t-il. "Nous avons conçu un gradient d'oxygène à l'échelle nanométrique dans la phase alpha-titane, avec des segments à haute teneur en oxygène qui sont solides et des segments à faible teneur en oxygène qui sont ductiles, ce qui nous permet d'exercer un contrôle sur la liaison atomique locale et ainsi d'atténuer le potentiel de fragilisation. »

La fragilisation par l'oxygène n'est pas seulement un problème pour le titane, c'est aussi un facteur clé qui empêche son utilisation dans le zirconium, le niobium, le molybdène et d'autres métaux. Les chercheurs pensent que le même processus peut être possible avec ces autres métaux, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires.

En plus de limiter l'utilisation de métaux coûteux, cette technique pourrait également réduire le coût des alliages de titane en utilisant des déchets industriels recyclés et des matériaux actuellement considérés comme de faible qualité.

L'auteur principal, le Dr Tingting Song, chercheur du vice-chancelier du RMIT, a déclaré que l'équipe est "au début d'un voyage majeur, de la preuve de nos nouveaux concepts ici, vers des applications industrielles. Il y a des raisons d'être excité - l'impression 3D offre un manière fondamentalement différente de fabriquer de nouveaux alliages et présente des avantages distincts par rapport aux approches traditionnelles. Il existe une opportunité potentielle pour l'industrie de réutiliser les déchets d'alliage titane-oxygène-fer spongieux, les poudres de titane recyclées à haute teneur en oxygène «hors spécifications» ou les poudres de titane fabriquées à partir de des déchets de titane à haute teneur en oxygène en utilisant notre approche. »

La recherche est en libre accès dans la revue Nature.

Source : Université RMIT