Pesquisadores desenvolvem nova classe de ligas de titânio sustentáveis ​​usando impressão 3D de Deposição de Energia Direcionada a Laser

Dec 02, 2023

Pesquisadores da Universidade RMIT e da Universidade de Sydney desenvolveram uma nova classe de ligas de titânio fortes, dúcteis, ajustáveis ​​e sustentáveis. Esta pesquisa foi conduzida em colaboração com a Universidade Politécnica de Hong Kong e a divisão de Inteligência de Manufatura da desenvolvedora de software sueca Hexagon.

As ligas de titânio são materiais incrivelmente úteis e valorizadas por sua resistência, baixo peso e resistência à corrosão e altas temperaturas. No entanto, as ligas de titânio fabricadas tradicionalmente são caras de produzir.

Diz-se que esta nova pesquisa oferece potencial para uma nova classe de ligas de titânio de alto desempenho, sustentáveis ​​e baratas, para uso em aplicações aeroespaciais, biomédicas, de engenharia química, espaciais e energéticas. A equipe integrou o design de ligas e processos de impressão 3D para desenvolver suas novas ligas de titânio, que são impressas em 3D a partir de pós metálicos usando Deposição de Energia Direcionada a Laser (L-DED).

De acordo com o pesquisador principal, Professor Ma Qian, da RMIT, a equipe de pesquisa incorporou a economia circular em seu projeto. Estas novas ligas podem ser produzidas a partir de resíduos e materiais de baixa qualidade, sem a necessidade de aditivos caros, como vanádio e alumínio. Em vez disso, são usados ​​oxigênio e ferro, que são baratos e abundantes.

“A reutilização de resíduos e materiais de baixa qualidade tem o potencial de agregar valor econômico e reduzir a alta pegada de carbono da indústria do titânio”, comentou Qian.

O autor principal, Dr. Tingting Song, da RMIT, afirmou que a equipe está “no início de uma grande jornada, desde a prova de nossos novos conceitos aqui, até aplicações industriais”.

“Há motivos para ficar entusiasmado – a impressão 3D oferece uma maneira fundamentalmente diferente de fazer novas ligas e tem vantagens distintas sobre as abordagens tradicionais. Há uma oportunidade potencial para a indústria reutilizar resíduos de liga de titânio-oxigênio-ferro esponjoso, pós de titânio reciclado com alto oxigênio 'fora de especificação' ou pós de titânio feitos de sucata de titânio com alto teor de oxigênio usando nossa abordagem”, acrescentou Song.

O artigo de pesquisa da equipe intitulado 'Ligas fortes e dúcteis de titânio-oxigênio-ferro por fabricação aditiva', foi publicado na revista Nature.

Desenvolvimento de novas ligas de titânio impressas em 3D

As ligas da equipe consistem em uma mistura de duas formas de cristais de titânio, fase alfa-titânio e fase beta-titânio, chamada Ti-6Al-4V. Cada forma corresponde a um arranjo específico de átomos.

A liga de titânio mais comum, Ti-6Al-4V, tem sido tradicionalmente produzida com 6% de alumínio e 4% de vanádio e representa mais de 50% de todo o mercado de titânio. Esta nova pesquisa substitui alumínio e titânio por oxigênio e ferro. Além de estarem prontamente disponíveis e serem baratos, esses elementos são dois dos mais poderosos estabilizadores e fortalecedores das fases alfa e beta-titânio.

Tradicionalmente, as ligas de titânio que incorporam altos níveis de titânio e oxigênio têm enfrentado desafios que dificultaram o seu desenvolvimento e adoção.

“Um desafio é que o oxigênio – descrito coloquialmente como ‘a criptonita do titânio’ – pode tornar o titânio frágil, e o outro é que a adição de ferro pode levar a defeitos graves na forma de grandes manchas de beta-titânio”, disse Qian.

A impressão 3D L-DED, processo geralmente utilizado para fabricação de peças grandes e complexas, permitiu aos pesquisadores superar esses desafios.

O uso do L-DED permitiu à equipe ajustar as propriedades mecânicas das ligas. Os cientistas produziram cristais de titânio em nanoescala dentro da liga, controlando cuidadosamente a distribuição dos átomos de oxigênio e ferro. Isso resultou em algumas partes específicas da liga sendo fortes e outras dúcteis, garantindo que o material não seja quebradiço sob tensão.

Usando o módulo DED do programa Simufact Welding da Hexagon, a equipe imprimiu e testou em 3D uma série dessas configurações. Após testes, os pesquisadores descobriram que suas ligas poderiam rivalizar em ductilidade e resistência com outras ligas comerciais de titânio.