I ricercatori sviluppano una nuova classe di leghe di titanio sostenibili utilizzando la stampa 3D con deposizione di energia diretta al laser

Dec 02, 2023

I ricercatori della RMIT University e dell’Università di Sydney hanno sviluppato una nuova classe di leghe di titanio resistenti, duttili, sintonizzabili e sostenibili. Questa ricerca è stata condotta in collaborazione con l'Università Politecnica di Hong Kong e la divisione Manufacturing Intelligence dello sviluppatore di software svedese Hexagon.

Le leghe di titanio sono materiali incredibilmente utili e sono apprezzati per la loro robustezza, il peso ridotto e la resistenza alla corrosione e alle alte temperature. Tuttavia, le leghe di titanio prodotte tradizionalmente sono costose da produrre.

Si dice che questa nuova ricerca offra il potenziale per una nuova classe di leghe di titanio sostenibili ed economiche ad alte prestazioni da utilizzare in applicazioni aerospaziali, biomediche, di ingegneria chimica, spaziali ed energetiche. Il team ha integrato la progettazione della lega e del processo di stampa 3D per sviluppare le nuove leghe di titanio, che vengono stampate in 3D da polveri metalliche utilizzando la deposizione di energia diretta al laser (L-DED).

Secondo il ricercatore capo, il professor Ma Qian del RMIT, il gruppo di ricerca ha incorporato l’economia circolare nel proprio progetto. Queste nuove leghe possono essere prodotte da prodotti di scarto e materiali di bassa qualità, senza la necessità di costosi additivi come vanadio e alluminio. Vengono invece utilizzati ossigeno e ferro, che sono economici e abbondanti.

“Il riutilizzo di rifiuti e materiali di bassa qualità ha il potenziale per aggiungere valore economico e ridurre l’elevata impronta di carbonio dell’industria del titanio”, ha commentato Qian.

L'autore principale, il dottor Tingting Song dell'RMIT, ha affermato che il team è "all'inizio di un viaggio importante, dalla dimostrazione dei nostri nuovi concetti qui, verso le applicazioni industriali".

“Ci sono motivi per essere entusiasti: la stampa 3D offre un modo fondamentalmente diverso di produrre nuove leghe e presenta vantaggi distinti rispetto agli approcci tradizionali. Esiste una potenziale opportunità per l’industria di riutilizzare le leghe di titanio-ossigeno-ferro di spugna di scarto, polveri di titanio riciclate ad alto contenuto di ossigeno “fuori specifica” o polveri di titanio ottenute da scarti di titanio ad alto contenuto di ossigeno utilizzando il nostro approccio”, ha aggiunto Song.

Il documento di ricerca del team intitolato "Leghe di titanio-ossigeno-ferro forti e duttili mediante produzione additiva" è stato pubblicato sulla rivista Nature.

Sviluppo di nuove leghe di titanio stampate in 3D

Le leghe del team sono costituite da una miscela di due forme di cristalli di titanio, fase alfa-titanio e fase beta-titanio, chiamata Ti-6Al-4V. Ogni forma corrisponde a una disposizione specifica di atomi.

La lega di titanio più comune, Ti-6Al-4V, è stata tradizionalmente prodotta utilizzando il 6% di alluminio e il 4% di vanadio e costituisce oltre il 50% dell'intero mercato del titanio. Questa nuova ricerca sostituisce l’alluminio e il titanio con ossigeno e ferro. Oltre ad essere facilmente disponibili ed economici, questi elementi sono due dei più potenti stabilizzanti e rinforzanti delle fasi alfa e beta-titanio.

Tradizionalmente, le leghe di titanio che incorporano alti livelli di titanio e ossigeno hanno dovuto affrontare sfide che ne hanno ostacolato lo sviluppo e l’adozione.

"Una sfida è che l'ossigeno - descritto colloquialmente come 'la kriptonite che trasforma il titanio' - può rendere fragile il titanio, e l'altra è che l'aggiunta di ferro potrebbe portare a gravi difetti sotto forma di grandi macchie di beta-titanio", ha detto Qian.

La stampa 3D L-DED, un processo generalmente utilizzato per la produzione di parti grandi e complesse, ha permesso ai ricercatori di superare queste sfide.

L'utilizzo di L-DED ha permesso al team di mettere a punto le proprietà meccaniche delle leghe. Gli scienziati hanno prodotto cristalli di titanio di dimensioni nanometriche all’interno della lega, controllando attentamente la distribuzione degli atomi di ossigeno e ferro. Ciò ha fatto sì che alcune parti specifiche della lega fossero resistenti e altre duttili, garantendo che il materiale non fosse fragile sotto tensione.

Utilizzando il modulo DED nel programma Simufact Welding di Hexagon, il team ha stampato e testato in 3D una serie di queste configurazioni. Dopo i test, i ricercatori hanno scoperto che le loro leghe potevano rivaleggiare in termini di duttilità e resistenza con altre leghe di titanio commerciali.