Durch die Integration von Legierungs- und 3D-Druckverfahren hat ein Forscherteam eine neue Klasse von Titanlegierungen geschaffen, die unter Spannung fest und nicht spröde sind. Die als Durchbruch bezeichnete Arbeit verspricht eine neue Klasse von nachhaltigeren Hochleistungs-Titanlegierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin, der Chemietechnik und der Energietechnik. Federführend an der Innovation beteiligt waren das Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) und die University of Sydney, in Zusammenarbeit mit der Hong Kong Polytechnic University und dem Unternehmen Hexagon Manufacturing Intelligence in Melbourne.
Das Team habe den Gedanken der Kreislaufwirtschaft in seinen Entwurf einfließen lassen und damit vielversprechende Möglichkeiten für die Herstellung der neuen Titanlegierungen aus Industrieabfällen und geringwertigen Materialien geschaffen, erklärte Ma Qian, Professor am RMIT und leitender Forscher. Dies biete einen wirtschaftlichen Mehrwert und könne den hohen Kohlenstoff-Fußabdruck der Titanindustrie verringern.
Alpha-Titan-Phase und Beta-Titan-Phase
Die Titanlegierungen des Teams bestehen aus einer Mischung aus zwei Formen von Titankristallen, der so genannten Alpha-Titan-Phase und der Beta-Titan-Phase, die jeweils einer bestimmten Anordnung von Atomen entsprechen. Seit 1954 werden industrielle Titanlegierungen hauptsächlich durch Zugabe von Aluminium und Vanadium hergestellt. Das Forschungsteam untersuchte nun den Einsatz von Sauerstoff und Eisen, zwei der stärksten Stabilisatoren der Alpha- und Beta-Titanphasen.
„Eine Herausforderung ist, dass Sauerstoff Titan verspröden kann, und die andere ist, dass die Zugabe von Eisen zu schwerwiegenden Defekten in Form von großen Bereichen an Beta-Titan führen kann.“, erklärte Qian.
Die Forscher kombinierten ihre Legierungskonzepte mit dem 3D-Druckverfahren Laser Directed Energy Deposition (L-DED). So gelang es ihnen, Kontrolle über die lokale atomare Bindung auszuüben und das Potenzial für Versprödung zu verringern. Sie identifizierten auf diese Weise eine Reihe starker, dehnbarer und leicht zu druckender Legierungen, die mit denen kommerzieller Legierungen konkurrieren können.
„Wir haben einen nanoskaligen Sauerstoffgradienten in der Alpha-Titan-Phase entwickelt, der Segmente mit hohem Sauerstoffgehalt aufweist, die fest sind, und Segmente mit niedrigem Sauerstoffgehalt, die dehnbar sind. Diese Forschung liefert ein neues Titanlegierungssystem, das ein breites und einstellbares Spektrum an mechanischen Eigenschaften, eine hohe Herstellbarkeit, ein enormes Potenzial zur Emissionsreduzierung und Erkenntnisse für das Materialdesign in verwandten Systemen bietet“, so, Professor Simon Ringer von der University of Sydney, Pro-Vice-Chancellor und Co-Forschungsleiter.
„Sauerstoffversprödung ist eine große metallurgische Herausforderung nicht nur für Titan, sondern auch für andere wichtige Metalle wie Zirkonium, Niob und Molybdän und ihre Legierungen. Unsere Arbeit könnte eine Vorlage liefern, um diese Probleme der Sauerstoffversprödung durch 3D-Druck und Mikrostrukturdesign zu reduzieren.“, ergänzt Co-Lead-Autor Dr. Zibin Chen
Die Forschungsarbeit des Teams, "Starke und duktile Titan-Sauerstoff-Eisen-Legierungen durch additive Fertigung", wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
