新しいクラスの「デザイナー」チタン合金が廃棄物から作られる可能性

May 06, 2023

新しい 3D プリンティングプロセスにより、バナジウムなどの高価な添加剤を使用せずに、廃棄物から製造できる可能性のある、強力で延性があり、調整可能な新しいクラスのチタン合金が開かれました。 ジルコニウム、ニオブ、モリブデンにも使用できます。

チタン合金は高価ですが、高強度、軽量、腐食や高温などに対する耐性が必要な状況で頻繁に使用される非常に有用な材料です。 これらは、航空宇宙、ハイエンド自動車、建設、スポーツ、産業、健康用途でよく使用されます。

オーストラリアのRMIT大学が率いる研究チームは、シドニー大学、香港理工大学、メルボルンのヘキサゴン・マニュファクチャリング・インテリジェンスと協力して、チタン/バナジウムと同じくらい強度があり、加工可能な新しいチタン合金を製造する根本的に異なる方法を開発したと発表した。 /アルミニウム合金ですが、高価な金属の代わりに安価で豊富な酸素と鉄を使用します。

これは、標準的なチタン合金製造とは大きく異なります。 研究チームによると、酸素はチタンのアルファ相の優れた安定化剤および強化剤となるが、同時にチタンを脆くしたり亀裂を生じさせたりするため、チタンの「クリプトナイト」というニックネームが付けられているという。 工業用チタン合金には、製造される合金に応じて酸素含有量を 0.12% ～ 0.72% に制限するという経験的な設計ルールがあり、通常、この目的には代わりにアルミニウムが使用されます。

同様に、鉄は安価で豊富にあるだけでなく、ベータ相チタンを安定化させるための 2 番目に軽い候補でもあります。 しかし、ベータチタンが最大数センチメートルの大きな斑点として凝集する傾向があり、最終的な金属に構造欠陥を引き起こします。 そのため、この濃度も厳しく管理されており、ほとんどの工業用合金製造では 2% 未満に抑えられています。

しかし、チームは、レーザー金属粉末指向性エネルギー堆積として知られる 3D プリンティングプロセスの一部として合金を混合することで、これらの欠点を解消できることを発見しました。これにより、材料の微細構造に細心の注意を払うことができるようになりました。下。

彼らは、酸素と鉄を安定剤として使用する一連の合金を作成および印刷し、さまざまな方法でテストしたところ、市販のチタン合金の強度と延性に匹敵することができることがわかりました。 3D プリントにより、これらの新しい合金は必要な正確な形状で作成されますが、金属の特性を作成するものに合わせて調整することもできるため、「デザイナー」チタン合金というニックネームが付けられています。

「この研究は、広範囲で調整可能な機械的特性、高い製造性、排出削減の大きな可能性、および同種システムにおける材料設計の洞察を可能にする新しいチタン合金システムを提供します」と共同主任研究者でシドニー大学のプロバイス氏は述べた。 -学長サイモン・リンガー教授、プレスリリースにて。

「重要な要因は、アルファチタン相とベータチタン相内およびその間の酸素と鉄原子の独特な分布です」と彼は説明します。 「私たちは、アルファチタン相の酸素のナノスケール勾配を設計し、強力な高酸素セグメントと延性のある低酸素セグメントを特徴とし、局所的な原子結合を制御して、原子結合の可能性を軽減できるようにしました。脆化。」

酸素脆化はチタンだけの問題ではなく、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、その他の金属での使用を妨げる重要な要因でもあります。 研究者らは、これらの他の金属でも同じプロセスが可能である可能性があると考えていますが、さらなる研究が必要です。

この技術は、高価な金属の使用を制限するだけでなく、リサイクルされた産業廃棄物や現在低品位と考えられている材料を利用することでチタン合金のコストも削減できる可能性がある。

主著者でRMIT副​​学長の研究員であるティンティン・ソング博士は、チームは「ここでの新しいコンセプトの実証から、産業応用に向けた大きな旅の始まりにある。興奮する根拠がある。3Dプリンティングは、新しい合金を製造する根本的に異なる方法であり、従来のアプローチに比べて明らかな利点がある 産業界には、廃スポンジチタン・酸素・鉄合金、「規格外」のリサイクルされた高酸素チタン粉末、またはから作られたチタン粉末を再利用する潜在的な機会がある。私たちのアプローチを使用した高酸素スクラップチタン。」

この研究は Nature 誌にオープンアクセスされています。

出典: RMIT大学