نجح باحثون في RMIT وجامعة سيدني ، بالتعاون مع جامعة هونغ كونغ للفنون التطبيقية وقسم استخبارات التصنيع في مطور البرمجيات السويدي Hexagon ، في تطوير مادة جديدة من سبائك التيتانيوم. يفتح هذا الإنجاز البحثي إمكانيات جديدة لتطبيق سبائك التيتانيوم في مجالات متعددة ويوفر آثارًا مفيدة لتحقيق أساليب تصنيع أكثر استدامة.
△ رسم تخطيطي للبنية المجهرية لسبائك التيتانيوم المطبوعة بواسطة الليزر ثلاثي الأبعاد لترسيب الطاقة
ماذا تفعل سبائك التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد الجديدة؟
سبائك التيتانيوم هذه قوية ومرنة وقابلة للتعديل ومستدامة. تكلفة التصنيع التقليدي لسبائك التيتانيوم مرتفعة ، ويوفر هذا البحث إمكانية إنتاج سبائك تيتانيوم جديدة عالية الأداء مع تطبيقات في الفضاء والطب الحيوي والهندسة الكيميائية والفضاء والطاقة ، من بين مجالات أخرى.
استخدم فريق البحث مزيجًا من السبائك وتصميم عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للطباعة ثلاثية الأبعاد لسبائك التيتانيوم الجديدة هذه من مسحوق المعادن باستخدام تقنية ترسيب الطاقة الموجهة بالليزر (L-DED). تجعل عملية التصنيع المبتكرة هذه إنتاج سبائك التيتانيوم أكثر استدامة وبأسعار معقولة.
△ تينجتينج سونج (يسار) وما تشيان (يمين)
قال الباحث الرئيسي البروفيسور ما تشيان من جامعة RMIT إنهم أدمجوا مفهوم الاقتصاد الدائري في التصميم. يمكن إنتاج السبيكة الجديدة باستخدام الخردة والمواد منخفضة الجودة ، دون إضافات باهظة الثمن مثل الفاناديوم والألمنيوم ، ولكن بأكسجين وحديد رخيصين ووفرة.
وأوضح البروفيسور تشيان أن "إعادة استخدام النفايات والمواد منخفضة الجودة لديها القدرة على إضافة قيمة اقتصادية وتقليل البصمة الكربونية العالية لصناعة التيتانيوم".
المؤلف الرئيسي للدراسة هو Tingting Song ، طالب دكتوراه في RMIT. وقالت إن الفريق في مرحلة مهمة من التحقق من صحة مفهومهم الجديد إلى تحقيق التطبيقات الصناعية.
وأضاف سونج: "لدينا سبب يجعلنا متحمسين لأن الطباعة ثلاثية الأبعاد تقدم طريقة مختلفة تمامًا لصنع سبائك جديدة بمزايا واضحة مقارنة بالطرق التقليدية. هناك فرصة محتملة للصناعة للاستفادة من طريقتنا". إعادة استخدام نفايات الإسفنج الحديدي التيتانيوم ، أو مسحوق التيتانيوم عالي الأكسجين المعاد تدويره "خارج المواصفات" ، أو مسحوق التيتانيوم المصنوع من نفايات التيتانيوم عالية الأكسجين ".
تم نشر الورقة البحثية في مجلة "نيتشر" ، وعنوان البحث "تحقيق سبائك أكسيد التيتانيوم القوية والمتينة من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد".
التحديات في تطوير السبائك الجديدة
تتكون سبيكة الفريق من شكلين من بلورات التيتانيوم ، خليط من طور ألفا تيتانيوم وطور بيتا تيتانيوم ، والمعروف باسم Ti -6 Al -4 V. كل شكل يتوافق مع ترتيب معين من الذرات.
Ti -6 Al -4 V هو سبائك التيتانيوم الأكثر شيوعًا ، حيث يستخدم 6 في المائة من الألومنيوم و 4 في المائة من الفاناديوم في طرق الإنتاج التقليدية ، وهو ما يمثل أكثر من 50 في المائة من سوق سبائك التيتانيوم. استخدمت الدراسة الجديدة الأكسجين والحديد بدلاً من الألمنيوم والفاناديوم. بالإضافة إلى كونها متاحة بسهولة ومنخفضة التكلفة نسبيًا ، فإن هذه العناصر هي أكثر عوامل التثبيت والمعززات فعالية لمرحلتي التيتانيوم والتيتانيوم.
تقليديا ، واجهت سبائك التيتانيوم التي تحتوي على مستويات عالية من التيتانيوم والأكسجين تحديات في التطوير والاعتماد.
علق Qian: "يتمثل أحد التحديات في أن الأكسجين ، الذي يوصف بالعامية باسم" كريبتونيت التيتانيوم "، يتسبب في هشاشة التيتانيوم ؛ وهناك تحد آخر يتمثل في أن إضافة الحديد يمكن أن تؤدي إلى عيوب شديدة في شكل صفائح كبيرة من مرحلة التيتانيوم."
△ حقق الفريق بنجاح الطباعة ثلاثية الأبعاد للبنية المجهرية على المستوى الذري على واجهة المرحلة للسبائك الجديدة من خلال تقنية ترسيب الطاقة الموجهة بالليزر (L-DED)
يتيح استخدام تقنية الطباعة L-DED 3D للباحثين التغلب على التحديات بنجاح
غالبًا ما تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد L-DED لإنشاء أجزاء كبيرة ومعقدة ، وتسمح للعلماء بضبط الخصائص الميكانيكية للسبائك. لقد نجحوا في تكوين بلورات تيتانيوم نانوية في السبيكة مع تحكم دقيق في توزيع الأكسجين وذرات الحديد. هذا يجعل مناطق معينة من السبيكة قوية جدًا ، بينما تكون مناطق أخرى مطيلة ، مما يضمن عدم هشاشة المادة عند الضغط عليها.
استخدم الفريق وحدة DED في برنامج Simufact Welding للطباعة ثلاثية الأبعاد واختبار سلسلة من هذه المكونات. بعد الاختبار ، وجد الباحثون أن سبائكهم كانت قابلة للمقارنة مع سبائك التيتانيوم التجارية الأخرى من حيث الليونة والقوة.
أوضح البروفيسور سيمون رينجر ، الباحث المشارك في قيادة البحث من جامعة سيدني: "إن العامل الرئيسي هو التوزيع الفريد لذرات الأكسجين والحديد بين وداخل مرحلتي ألفا تيتانيوم وبيتا تيتانيوم. وتدرج الأكسجين عالي المستوى ، بما في ذلك ارتفاع قوي تسمح لنا مناطق-الأكسجين ومناطق الأكسجين المنخفض الدكتايل بالتحكم في الترابط الذري المحلي وبالتالي التخفيف من مشكلة الهشاشة.
