Wissenschaftler der University of Sydney und des RMIT haben laut einer Pressemitteilung des RMITs eine neue Klasse sogenannter „Designer“-Legierungen aus Titan für die Verwendung in der additiven Fertigung entwickelt. Die nachhaltigeren Hochleistungslegierungen eignen sich für Anwendungen in der Luft– und Raumfahrt, Biomedizin, Chemietechnik und Energietechnologien.
Ihre Ergebnisse haben die Forscher im Fachjournal Nature in einem Artikel mit dem Titel „Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing“ veröffentlicht. An der Arbeit waren außerdem Forscher der Hong Kong Polytechnic University und das Melbourner Unternehmen Hexagon Manufacturing Intelligence beteiligt.
Der leitende Forscher, Professor Simon Ringer sagte:
„Diese Forschung liefert ein neues Titanlegierungssystem, das über ein breites und einstellbares Spektrum mechanischer Eigenschaften, eine hohe Herstellbarkeit und ein enormes Potenzial zur Emissionsreduzierung verfügt und Erkenntnisse für das Materialdesign in verwandten Systemen mit sich bringt.“
Alpha-Titan und Beta-Titan
Unter den neuen Materialien befinden sich zwei Formen von Titankristallen, der Alpha-Titan-Phase und der Beta-Titan-Phase, die jeweils einer bestimmten Anordnung von Atomen entsprechen. Die Titanlegierungen wurden traditionell durch Zugabe von Aluminium und Titan hergestellt. Bei den Alpha- und Beta-Titanphasen untersuchten die Forscher die Verwendung von Sauerstoff und Eisen, reichlich vorhandene und kostengünstige Elemente, die als starke Stabilisatoren und Festiger wirken können. Dabei spielt laut Professor Ringer die einzigartige Verteilung der Sauerstoff- und Eisenatome innerhalb und zwischen den Phasen Alpha-Titan und Beta-Titan eine wichtige Rolle. Forscher der australischen Monash University haben im Vorjahr ihre ultrastarke Titanlegierung für den Metall-3D-Druck vorgestellt.
Er erklärt:
„Wir haben einen nanoskaligen Sauerstoffgradienten in der Alpha-Titan-Phase entwickelt, der starke sauerstoffreiche Segmente und duktile sauerstoffarme Segmente aufweist (die ihre Festigkeit behalten, nachdem sie zu einem schmalen Faden geformt wurde), sodass wir uns anstrengen können Kontrolle über die lokale Atombindung und so die Versprödungsgefahr verringern.“
Kreislaufwirtschaft
Laut dem leitenden Forscher Professor Ma Qian vom RMIT hat das Team den Gedanken der Kreislaufwirtschaft in das Design integriert und damit große Aussichten für die Herstellung seiner neuen Titanlegierungen aus Industrieabfällen und minderwertigen Materialien geschaffen.
Er sagte:
„Die Wiederverwendung von Abfällen und minderwertigen Materialien hat das Potenzial, einen wirtschaftlichen Mehrwert zu schaffen und den hohen CO2-Fußabdruck der Titanindustrie zu verringern.“
Da der Sauerstoff Titan spröde machen kann und die Zugabe von Eisen zu schwerwiegenden Defekten führt, galt es für die Forscher, eine Lösung für diese Herausforderung zu finden, um starke und duktile Alpha-Beta-Titan-Sauerstoff-Eisen-Legierungen zu entwickeln. Sie verwendeten die Laser Directed Energy Deposition (L-DED), ein 3D-Druckverfahren, das für die Herstellung großer, komplexer Teile geeignet ist. Damit druckten sie Legierungen als Metallpulver und erhielten so eine einzigartige Mikrostruktur, die den Forschern zufolge mit kommerziellen Legierungen konkurrieren kann.
