Nuevas aleaciones de titanio de “diseño” fabricadas mediante impresión 3D

Un equipo de científicos ha creado una nueva clase de aleaciones de titanio que son fuertes y no quebradizas cuando se estiran mediante la integración de diseños de aleaciones y procesos de impresión 3D.

Avance, publicado en la revista Naturalezapuede ayudar a expandir las aplicaciones de aleaciones de titanio, mejorar la sustentabilidad e impulsar diseños de aleaciones innovadores.

Su descubrimiento promete una nueva clase de aleaciones de titanio de alto rendimiento más sostenibles para tecnologías aeroespaciales, biomédicas, de ingeniería química, espaciales y energéticas.

La innovación fue liderada por RMIT y la Universidad de Sydney en asociación con la Universidad Tecnológica de Hong Kong y Hexagon Manufacturing Intelligence en Melbourne.

El investigador principal Ma Qian, profesor de RMIT, dijo que el equipo incorporó el pensamiento sobre la economía circular en su diseño, creando una gran esperanza para la producción de nuevas aleaciones de titanio a partir de desechos industriales y materiales de baja calidad.

“La reutilización de desechos y materiales de baja calidad tiene el potencial de agregar valor económico y reducir la alta huella de carbono de la industria del titanio”, dijo Qian del Centro de Fabricación Aditiva de RMIT en la Escuela de Ingeniería.

¿Qué tipo de aleaciones de titanio fabricó el equipo?

Las aleaciones de titanio desarrolladas por el equipo consisten en una mezcla de dos formas de cristales de titanio, denominadas fase alfa-titanio y fase beta-titanio, cada una correspondiente a una disposición específica de átomos.

Esta clase de aleaciones fue la base de la industria del titanio. Desde 1954, estas aleaciones se han producido principalmente añadiendo aluminio y vanadio al titanio.

El equipo de investigación investigó el uso de oxígeno y hierro, los dos estabilizadores y potenciadores más poderosos de las fases de titanio alfa y beta, que son abundantes y económicos.

Qian dijo que dos desafíos impidieron el desarrollo de aleaciones de hierro, oxígeno y titanio alfa-beta fuertes y dúctiles con procesos de fabricación convencionales.

“Uno de los desafíos es que el oxígeno, comúnmente conocido como ‘criptonita de titanio’, puede hacer que el titanio se vuelva quebradizo, y el otro es que agregar hierro puede provocar defectos graves en forma de grandes parches de beta-titanio”.

El equipo utilizó la deposición de energía dirigida por láser (L-DED), un proceso de impresión 3D adecuado para fabricar piezas grandes y complejas, para imprimir sus pies con metal en polvo.

“El habilitador clave para nosotros fue la combinación de nuestros conceptos de diseño de aleaciones con el diseño del proceso de impresión 3D, que identificó una gama de aleaciones que son fuertes, dúctiles y fáciles de imprimir”, dijo Qian.

Las propiedades atractivas de estas nuevas aleaciones, que pueden competir con las aleaciones comerciales, se atribuyen a su microestructura, dice el equipo.

“Esta investigación proporciona un nuevo sistema de aleación de titanio que puede tener una gama amplia y controlable de propiedades mecánicas, alta capacidad de fabricación, enorme potencial de reducción de emisiones y conocimiento del diseño de materiales en sistemas relacionados”, dijo el profesor rector Simon Ringer.

“El factor habilitador crítico es la distribución única de átomos de oxígeno y hierro en y entre las fases de alfa-titanio y beta-titanio.

“Desarrollamos un gradiente de oxígeno a nanoescala en la fase de alfa-titanio, que incluye segmentos con alto contenido de oxígeno que son fuertes y segmentos con bajo contenido de oxígeno que son dúctiles, lo que nos permite ejercer control sobre los enlaces atómicos locales y, por lo tanto, mitigar el potencial de fragilización”.

¿Cuáles son las posibles aplicaciones de los resultados de la investigación?

El autor principal, el Dr. Tingting Song, investigador del vicerrector de RMIT, dijo que el equipo está “al comienzo de un gran viaje, desde probar nuestros nuevos conceptos hasta aplicaciones industriales”.

“Hay motivos para estar entusiasmados: la impresión 3D ofrece una forma fundamentalmente diferente de producir aleaciones novedosas y tiene claras ventajas sobre los enfoques tradicionales”, dijo.

“Existe una oportunidad potencial para que la industria reutilice desechos de aleación de esponja de titanio-oxígeno-hierro, polvos de titanio con alto contenido de oxígeno reciclados ‘fuera de especificación’ o polvos de titanio hechos de chatarra de titanio con alto contenido de oxígeno utilizando nuestro enfoque”.

El coautor, el Dr. Zibin Chen, quien se unió a la Universidad Politécnica de Hong Kong desde la Universidad de Sydney en las últimas etapas de la colaboración, dijo que la investigación tiene implicaciones más amplias.

“La fragilización por oxígeno es un desafío metalúrgico importante no solo para el titanio, sino también para otros metales importantes como el circonio, el niobio y el molibdeno y sus aleaciones”, dijo.

“Nuestro trabajo podría proporcionar una plantilla para mitigar los problemas de fragilización por oxígeno a través de la impresión 3D y el diseño de microestructuras”.

El trabajo del equipo se ha beneficiado de una inversión sostenida y específica en la infraestructura de investigación de los gobiernos y universidades nacionales y estatales, dijo Ringer.

“En muchos sentidos, este trabajo demuestra la fuerza de la estrategia de infraestructura de investigación nacional colaborativa de Australia y sienta las bases para extender esta estrategia al campo de la fabricación avanzada”, dijo.

El trabajo de investigación del equipo, “Aleaciones de titanio-oxígeno-hierro fuertes y dúctiles mediante fabricación aditiva”, se publicó en la revista Naturaleza.

También se publicó en Naturaleza.