นักวิจัยจาก RMIT และมหาวิทยาลัยซิดนีย์ ร่วมมือกับมหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคฮ่องกงและแผนกข่าวกรองการผลิตของนักพัฒนาซอฟต์แวร์ชาวสวีเดน Hexagon ประสบความสำเร็จในการพัฒนาวัสดุโลหะผสมไททาเนียมชนิดใหม่ ความสำเร็จด้านการวิจัยนี้เปิดโอกาสใหม่สำหรับการประยุกต์ใช้โลหะผสมไททาเนียมในหลากหลายสาขา และให้ความหมายที่เป็นประโยชน์สำหรับการตระหนักถึงวิธีการผลิตที่ยั่งยืนมากขึ้น
△แผนผังของโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมไททาเนียมที่พิมพ์โดย 3D การสะสมพลังงานที่กำกับด้วยเลเซอร์
โลหะผสมไททาเนียมพิมพ์ 3 มิติใหม่ทำอะไรได้บ้าง?
โลหะผสมไททาเนียมนี้แข็งแรง อ่อนตัว ปรับได้ และยั่งยืน ต้นทุนของการผลิตโลหะผสมไททาเนียมโดยทั่วไปนั้นสูง และงานวิจัยนี้นำเสนอศักยภาพของโลหะผสมไททาเนียมประสิทธิภาพสูงชนิดใหม่กับการใช้งานในอวกาศ การแพทย์ชีวภาพ วิศวกรรมเคมี อวกาศและพลังงาน รวมถึงสาขาอื่นๆ
ทีมวิจัยใช้การผสมผสานระหว่างโลหะผสมและการออกแบบกระบวนการพิมพ์ 3 มิติเพื่อพิมพ์โลหะผสมไททาเนียมใหม่นี้ 3 มิติจากผงโลหะโดยใช้เทคโนโลยีการเคลือบด้วยพลังงานเลเซอร์ (L-DED) กระบวนการผลิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้ทำให้การผลิตโลหะผสมไททาเนียมมีความยั่งยืนและราคาไม่แพง
△Tingting Song (ซ้าย) และ Ma Qian (ขวา)
ศาสตราจารย์ Ma Qian หัวหน้านักวิจัยจากมหาวิทยาลัย RMIT กล่าวว่าพวกเขาได้รวมแนวคิดของเศรษฐกิจหมุนเวียนไว้ในการออกแบบ โลหะผสมชนิดใหม่นี้สามารถผลิตได้โดยใช้เศษเหล็กและวัสดุเกรดต่ำ โดยไม่ต้องเติมสารเติมแต่งราคาแพง เช่น วาเนเดียมและอะลูมิเนียม แต่ใช้ออกซิเจนและเหล็กที่มีราคาถูกและมีปริมาณมาก
"การนำของเสียและวัสดุคุณภาพต่ำกลับมาใช้ใหม่มีศักยภาพในการเพิ่มมูลค่าทางเศรษฐกิจและลดปริมาณคาร์บอนฟุตพรินต์ของอุตสาหกรรมไททาเนียม" ศาสตราจารย์ Qian อธิบาย
ผู้เขียนหลักของการศึกษาคือ Tingting Song นักศึกษาระดับปริญญาเอกที่ RMIT เธอกล่าวว่าทีมงานอยู่ในขั้นตอนที่สำคัญตั้งแต่การตรวจสอบความถูกต้องของแนวคิดใหม่ไปจนถึงการนำไปใช้ในอุตสาหกรรม
Song กล่าวเสริม: "เรามีเหตุผลที่จะตื่นเต้นที่การพิมพ์ 3 มิตินำเสนอวิธีการสร้างโลหะผสมแบบใหม่ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง โดยมีข้อดีที่ชัดเจนกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม มีโอกาสที่เป็นไปได้สำหรับอุตสาหกรรมที่จะใช้ประโยชน์จากวิธีการของเรา" การใช้ฟองน้ำเฟอร์โรไทเทเนียมของเสีย ผงไทเทเนียมออกซิเจนสูงที่รีไซเคิลแบบ "ไม่ตรงสเปก" หรือผงไทเทเนียมที่ทำจากของเสียไททาเนียมออกซิเจนสูง"
△งานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร "Nature" และชื่องานวิจัยคือ "Realizing Strong and Tough Iron Titanium Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing"
ความท้าทายในการพัฒนาโลหะผสมชนิดใหม่
โลหะผสมของทีมประกอบด้วยผลึกไททาเนียม 2 รูปแบบ ซึ่งเป็นส่วนผสมของเฟสอัลฟ่า-ไททาเนียมและเฟสเบต้า-ไททาเนียม ซึ่งรู้จักกันในชื่อ Ti-6Al-4V แต่ละรูปแบบสอดคล้องกับการจัดเรียงอะตอมที่เฉพาะเจาะจง
Ti-6Al-4V เป็นโลหะผสมไททาเนียมที่พบมากที่สุด โดยใช้อะลูมิเนียม 6 เปอร์เซ็นต์ และวานาเดียม 4 เปอร์เซ็นต์ในวิธีการผลิตแบบดั้งเดิม ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ของตลาดโลหะผสมไททาเนียม การศึกษาใหม่ใช้ออกซิเจนและเหล็กแทนอลูมิเนียมและวาเนเดียม นอกจากจะหาได้ง่ายและราคาค่อนข้างต่ำแล้ว ธาตุเหล่านี้ยังเป็นสารเพิ่มความคงตัวและสารเพิ่มความแข็งแรงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด 2 ส่วนของเฟส - ไทเทเนียมและ - ไทเทเนียม
ตามเนื้อผ้า โลหะผสมไททาเนียมที่มีไททาเนียมและออกซิเจนในระดับสูงต้องเผชิญกับความท้าทายในการพัฒนาและการยอมรับ
Qian แสดงความคิดเห็นว่า: "ความท้าทายประการหนึ่งคือออกซิเจนซึ่งเรียกกันทั่วไปว่า 'ไททาเนียมคริปโตไนต์' ทำให้ไททาเนียมเปราะ ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการเติมธาตุเหล็กสามารถนำไปสู่ความบกพร่องอย่างรุนแรงในสัณฐานวิทยาของเฟสไททาเนียมแผ่นใหญ่"
△ทีมประสบความสำเร็จในการพิมพ์ 3 มิติของโครงสร้างจุลภาคระดับอะตอมบนอินเทอร์เฟซเฟสของโลหะผสมชนิดใหม่ ด้วยเทคโนโลยีการเคลือบด้วยพลังงานที่กำกับด้วยเลเซอร์ (L-DED)
การใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ L-DED ช่วยให้นักวิจัยสามารถเอาชนะความท้าทายได้สำเร็จ
การพิมพ์ 3 มิติแบบ L-DED มักใช้เพื่อสร้างชิ้นส่วนขนาดใหญ่และซับซ้อน และช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมได้ พวกเขาประสบความสำเร็จในการสร้างผลึกไททาเนียมระดับนาโนในโลหะผสมด้วยการควบคุมการกระจายของออกซิเจนและอะตอมของเหล็กอย่างแม่นยำ สิ่งนี้ทำให้บางส่วนของโลหะผสมมีความแข็งแรงมาก ในขณะที่ส่วนอื่น ๆ มีความเหนียว ทำให้มั่นใจได้ว่าวัสดุจะไม่เปราะเมื่อเกิดความเครียด
ทีมงานใช้โมดูล DED ในซอฟต์แวร์ Simufact Welding ของ Hexagon เพื่อพิมพ์ 3 มิติและทดสอบชุดส่วนประกอบดังกล่าว หลังจากการทดสอบ นักวิจัยพบว่าโลหะผสมของพวกมันเปรียบได้กับโลหะผสมไททาเนียมเชิงพาณิชย์อื่นๆ ในด้านความเหนียวและความแข็งแรง
ศาสตราจารย์ไซมอน ริงเกอร์ หัวหน้านักวิจัยร่วมจากมหาวิทยาลัยซิดนีย์ อธิบายว่า "ปัจจัยสำคัญคือการกระจายตัวของออกซิเจนและอะตอมของเหล็กระหว่างและภายในเฟสอัลฟ่า-ไททาเนียมและเบต้า-ไททาเนียม -บริเวณที่มีออกซิเจนและบริเวณที่มีออกซิเจนต่ำแบบเหนียว ช่วยให้เราสามารถควบคุมพันธะอะตอมในท้องถิ่นได้ และด้วยเหตุนี้จึงช่วยบรรเทาปัญหาความเปราะบางได้
