Nová trieda titánových zliatin by sa mohla vyrábať z odpadu
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 5. 6. 2023
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Nový proces 3D tlače otvoril novú triedu pevných, tvárnych a laditeľných titánových zliatin, ktoré by sa potenciálne mohli vyrábať z odpadových produktov bez drahých prísad, ako je vanád. Môže sa použiť aj na zirkónium, niób a molybdén.
Titánové zliatiny sú drahé, ale veľmi užitočné materiály, ktoré sa často používajú v situáciách vyžadujúcich vysokú pevnosť, nízku hmotnosť a odolnosť voči korózii a vysokým teplotám. Často sa vyskytujú v leteckom a kozmickom priemysle, v automotive, v stavebníctve, športe, priemysle a zdravotníctve.
Výskumný tím pod vedením austrálskej univerzity RMIT v spolupráci s Univerzitou v Sydney, Hongkonskou polytechnickou univerzitou a spoločnosťou Hexagon Manufacturing intelligence v Melbourne tvrdí, že vyvinul zásadne odlišný spôsob výroby nových titánových zliatin, ktoré sú rovnako pevné a spracovateľné ako zliatiny titánu, vanádu a hliníka, ale namiesto drahších kovov využívajú lacný, hojne dostupný kyslík a železo.
Ide o obrovský odklon od štandardnej výroby titánových zliatin. Kyslík, hovorí tím, by bol skvelým stabilizátorom a spevňovačom alfa fázy titánu, ale zároveň spôsobuje jeho krehkosť a praskanie. Existujú empirické konštrukčné pravidlá pre priemyselné titánové zliatiny, ktoré obmedzujú obsah kyslíka na 0,12 % až 0,72 % v závislosti od toho, ktorá zliatina sa vyrába, a namiesto toho sa zvyčajne používa hliník.
Podobne železo je nielen lacné a hojné, ale je aj druhým najľahším kandidátom na stabilizáciu beta-fázy titánu. Má však tendenciu spôsobovať zhlukovanie beta-titánu do veľkých škvŕn s veľkosťou až niekoľko centimetrov, čo spôsobuje štrukturálne chyby vo výslednom kove. Preto sa tiež prísne kontroluje a pri väčšine priemyselnej výroby zliatin sa udržiava pod 2 %.
Tím však zistil, že tieto nevýhody dokázal odstrániť miešaním zliatin v rámci procesu 3D tlače známeho ako laserové nanášanie kovového prášku s usmernenou energiou, čo im umožnilo venovať starostlivú pozornosť mikroštruktúre materiálu pri jeho ukladaní.
Vedci vytvorili a vytlačili sériu zliatin s použitím kyslíka a železa ako stabilizátorov a testovali ich viacerými spôsobmi, pričom zistili, že sú schopné konkurovať pevnosti a ťažnosti komerčných titánových zliatin. Keďže sú tieto nové zliatiny vytlačené 3D tlačou, sú vytvorené v presných požadovaných tvaroch. No vlastnosti kovu sa dajú prispôsobiť aj tomu, čo práve vyrábate. Preto sa im prisudzuje prezývka „dizajnérske“ zliatiny titánu.
„Tento výskum prináša nový systém titánovej zliatiny, ktorý je schopný širokého a nastaviteľného rozsahu mechanických vlastností, vysokej vyrobiteľnosti, obrovského potenciálu pre zníženie emisií a poznatkov pre navrhovanie materiálov v príbuzných systémoch,“ uviedol Simon Ringer spoluvedúci výskumník a prorektor Univerzity v Sydney profesor.
„Rozhodujúcim faktorom je jedinečné rozloženie atómov kyslíka a železa v rámci alfa-titánovej a beta-titánovej fázy a medzi nimi,“ vysvetľuje. „Vytvorili sme nanorozmerný gradient kyslíka v alfa-titánovej fáze, ktorý obsahuje segmenty s vysokým obsahom kyslíka, ktoré sú pevné, a segmenty s nízkym obsahom kyslíka, ktoré sú tvárne, čo nám umožňuje kontrolovať lokálnu atómovú väzbu a zmierniť tak potenciál krehkosti“.
Kyslíkové krehnutie nie je problémom len pre titán . Je to aj kľúčový faktor, ktorý bráni jeho používaniu v zirkóniu, nióbe, molybdéne a iných kovoch. Výskumníci sa domnievajú, že rovnaký proces by mohol byť možný aj pri týchto ďalších kovoch, ale je potrebný ďalší výskum.
Okrem obmedzenia používania drahých kovov by táto technika mohla znížiť aj náklady na titánové zliatiny tým, že by sa využili recyklované priemyselné odpady a materiály, ktoré sa v súčasnosti považujú za nekvalitné.
Výskum je voľne prístupný v magazíne Nature.
