Wetenschappers uit Hong Kong ontwikkelen miniatuur 3D-printen om supersterke titaniumlegeringen te creëren

Een studie onder leiding van wetenschappers van de City University van Hong Kong maakte gebruik van additieve productie (gewoonlijk 3D-printen genoemd) om met succes een supersterke, hoge ductiliteit en superlichte legering op titaniumbasis te ontwikkelen. Hun ontdekking opende een nieuwe manier om legeringen te ontwerpen met ongekende structuren en eigenschappen voor verschillende structurele toepassingen.

3D-printen: meer dan alleen een vormtechnologie

De meeste mensen denken dat 3D-printen een revolutionaire technologie is die in één stap complex gevormde machineonderdelen kan produceren. "We hebben echter het belangrijke potentieel ervan onthuld bij het ontwerpen van materialen, in plaats van simpelweg het ontwerpen van geometrische figuren. Metallurgen zijn geneigd te geloven dat het gebrek aan uniformiteit in de samenstelling van de legering ongewenst is omdat het kan leiden tot ongewenste eigenschappen zoals broosheid. In het additieve productieproces Hoe de oneffenheden in het snelle koelproces kunnen worden geëlimineerd, is een van de belangrijkste kwesties.

Ontwerp een unieke microstructuur

"De unieke kenmerken van additive manufacturing geven ons meer vrijheid bij het ontwerpen van microstructuren", legt Dr. Zhang uit, die ook de eerste auteur van dit artikel is. "We hebben specifiek een gedeeltelijke homogenisatiemethode ontwikkeld die gebruik maakt van 3D-printtechnologie om legeringen te produceren met concentratiegradiënten op micronniveau, wat niet kan worden bereikt met enige traditionele materiaalproductiemethode."

De door hen voorgestelde methode omvat het gebruik van een gerichte laserstraal om twee verschillende legeringspoeders en roestvrijstalen poeders te smelten en te mengen. Door tijdens het 3D-printproces parameters als laservermogen en scansnelheid te controleren, slaagde het team erin om op een gecontroleerde manier een niet-uniforme samenstelling van elementen in de nieuwe legering te creëren.

(3D-geprinte korreloriëntatiekaart van titaniumlegering)

Professor Liu zei: Naast het gebruik van additieve productie is de samenstelling van de twee poedermengsels een andere sleutel tot het creëren van een ongekend hoge metastabiele lava-achtige microstructuur in de nieuwe legering. Deze unieke microstructuren zorgen voor de hoogste mechanische eigenschappen, waardoor de legering zeer sterk en licht van gewicht is. De experimentele resultaten laten zien dat de nieuwe titaniumlegering uitstekende mechanische eigenschappen heeft.

Nieuwe legering: 40% lichter, supersterk

Over het algemeen bedraagt ​​de massa van roestvrij staal 7,9 gram per kubieke centimeter, terwijl de massa van de nieuwe legering slechts 4,5 gram per kubieke centimeter bedraagt, wat ongeveer 40% lichter is. In hun experimenten vertoonde de titaniumlegering met een lava-achtige structuur een hoge treksterkte van ~1,3 gigapascal, met een uniforme rek van ongeveer 9%. Het heeft ook een uitstekend hardingsvermogen van meer dan 300 MPa, wat een enorme veiligheidsmarge garandeert vóór breuk, wat zeer nuttig is bij structurele toepassingen.

Deze uitstekende eigenschappen bieden goede structurele toepassingsmogelijkheden in verschillende situaties, zoals de lucht- en ruimtevaart-, automobiel-, chemische en medische industrie. Als het eerste team dat 3D-printtechnologie heeft gebruikt om een ​​nieuwe legering met een unieke microstructuur en eigenschappen te ontwikkelen, zullen we dit ontwerpconcept verder toepassen op verschillende legeringssystemen en andere eigenschappen van de nieuwe legering verder onderzoeken.