Une nouvelle classe d'alliages de titane « design » pourrait être fabriquée à partir de déchets

Jun 29, 2023

Un nouveau procédé d'impression 3D a ouvert une nouvelle classe d'alliages de titane solides, ductiles et ajustables 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 retrouve souvent dans les applications de l'aérospatiale, de l'automobile haut de gamme, de la construction, du sport, de l'industrie et de la santé.

Une équipe de recherche dirigée par l'Université RMIT d'Australie, 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 tout aussi solides et faciles à travailler que le titane/vanadium. /alliages d'aluminium, mais qui utilisent de l'oxygène et du fer bon marché et abondants au lieu des métaux les plus chers.

Il s’agit d’un énorme changement par rapport à la fabrication standard d’alliages de titane. L'oxygène, selon l'équipe, serait un excellent stabilisant et fortifiant pour la phase alpha du titane, mais il la rend également cassante et fissurée – 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.

De même, le fer n’est pas seulement bon marché et abondant, il constitue également le deuxième candidat le plus léger pour la stabilisation du titane en phase bêta. Mais cela a tendance à provoquer l’agglomération du bêta-titane en grandes taches, pouvant atteindre quelques centimètres, 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. vers le bas.

Ils ont créé et imprimé une série d’alliages utilisant l’oxygène et le fer comme stabilisants, et les ont testés de plusieurs manières, 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 « design ».

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

"Le facteur essentiel est la distribution unique des atomes d'oxygène et de fer au sein 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, présentant des niveaux élevés de des segments d'oxygène qui sont forts 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 d'atténuer ainsi le potentiel de fragilisation.

La fragilisation par l'oxygène n'est pas seulement un problème pour le titane : c'est également un facteur clé empêchant son utilisation dans le zirconium, le niobium, le molybdène et d'autres métaux. Les chercheurs pensent que le même processus pourrait 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 mauvaise qualité.

L'auteur principal, le Dr Tingting Song, chercheur du vice-chancelier du RMIT, a déclaré que l'équipe était « au début d'un voyage majeur, depuis la preuve de nos nouveaux concepts ici, vers des applications industrielles. Il y a de quoi s’enthousiasmer : l’impression 3D offre une 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'éponge titane-oxygène-fer, les poudres de titane recyclées à haute teneur en oxygène « hors spécifications » ou les poudres de titane fabriquées à partir de déchets de titane à haute teneur en oxygène en utilisant notre approche.