PolyU-Forscher entwickeln Ti-Legierung über DED Additive Manufacturing

31. Juli 2023

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Ingenieurwissenschaftler der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) haben in Zusammenarbeit mit der RMIT University und der University of Sydney die additive Fertigung genutzt, um die Qualitäts- und Abfallmanagementherausforderungen bei der Herstellung von Titanlegierungen zu bewältigen. Ihre Forschungsstudie mit dem Titel „Starke und duktile Titan-Sauerstoff-Eisen-Legierungen durch additive Fertigung“ wurde kürzlich in Nature veröffentlicht.

Das Forschungsteam hat die additive Fertigung genutzt, um eine neue, starke, duktile und nachhaltige Legierung zu schaffen, die α-β-Ti-O-Fe-Legierung. Diese Eigenschaften werden durch die Einbeziehung von kostengünstigem und reichlich vorhandenem Sauerstoff und Eisen erreicht, den beiden stärksten Stabilisierungselementen und Festigern für Titanlegierungen in der α-β-Phase. Diese neue Titanlegierung bietet Potenzial für vielfältige Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Schiffstechnik, Unterhaltungselektronik und biomedizinische Geräte.

Die Autoren erklärten: „Bei der Auswahl des AM-Prozesses haben wir uns für Laser-Metallpulver-Directed-Energy-Deposition (DED) entschieden, das – unterstützt durch High-Fidelity-Simulationen – die Herstellung großformatiger nahezu endkonturnaher Komponenten mit einer konsistenten Form ermöglicht.“ Mikrostruktur.“

Berichten zufolge weist die neue Titanlegierung eine bessere mechanische Leistung, eine höhere Festigkeit und eine vergleichbare Duktilität auf wie das weit verbreitete Benchmark-Material Ti-6AI-4V, das 1954 formuliert wurde.

Obwohl zur Herstellung der neuen Titanlegierung herkömmliche Herstellungsmethoden wie Gießen verwendet werden können, weist das resultierende Material möglicherweise schlechte Eigenschaften auf, die es für die praktische Technik ungeeignet machen. Die additive Fertigung hingegen überwindet Berichten zufolge diese mit herkömmlichen Produktionsmethoden verbundenen Einschränkungen und verbessert die Eigenschaften der Legierung.

Das Kroll-Verfahren, das typischerweise zur Herstellung von Titanlegierungen verwendet wird, ist energieintensiv und erzeugt minderwertiges Schwammtitan. Dieses Abfallprodukt macht etwa 10 % des gesamten Titanschwamms aus und führt zu erheblichem Abfall und erhöhten Produktionskosten. Die additive Fertigung bietet jedoch eine effektive Lösung, indem sie das Recycling von minderwertigem Schwammtitan ermöglicht. Diese Technologie wandelt den Abfall in Pulver zur Verwendung als Rohmaterial um und reduziert so Abfall und Produktionskosten.

Dr. Zibin Chen erklärte: „Unsere Arbeit kann das Recycling von mehr als 10 % des in der Metalllegierungsproduktionsindustrie anfallenden Abfalls erleichtern. Dadurch können sowohl die Material- als auch die Energiekosten für die Industrie erheblich gesenkt werden, was zur ökologischen Nachhaltigkeit und zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks beiträgt.“

Die Forschung integriert Legierungsdesign, Computersimulationen und experimentelle Charakterisierung, um den Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsraum der additiven Fertigung für die neue Titanlegierung (α-β-Ti-O-Fe-Legierung) zu untersuchen.

Die Studie hebt hervor, dass die additive Fertigung die einstufige Herstellung komplexer und funktionaler Metallteile ermöglicht, was die Produktentwicklung beschleunigt und die Kosten senkt. Darüber hinaus können mit dieser Technologie Metallteile mit einzigartigen Strukturen und Zusammensetzungen hergestellt werden, die mit herkömmlichen Methoden nicht erreicht werden können.

Die additive Fertigung ermöglicht die Anpassung der Mikrostruktur von Metalllegierungen und verbessert so deren Festigkeit, Flexibilität sowie Korrosions- und Wasserbeständigkeit. Darüber hinaus ermöglicht es die Herstellung leichter und dennoch stabiler Metallteile mit komplizierten Mustern. Dieser Forschungsdurchbruch könnte neue Möglichkeiten für nachhaltige und ganzheitliche Materialdesignstrategien eröffnen, die durch die additive Fertigung ermöglicht werden.

Professor Keith KC Chan kam zu dem Schluss: „Diese Arbeit kann als Modell oder Benchmark für andere Metalllegierungen dienen, die 3D-Druck nutzen, um ihre Eigenschaften zu verbessern und ihre Anwendbarkeit zu erweitern.“ Der Metall-3D-Druck ist ein aufstrebendes Feld und es wird einige Zeit dauern, bis er in der Materialherstellung weit verbreitet ist.“

www.polyu.edu.hk

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