Los investigadores desarrollan una nueva clase de aleaciones de titanio sostenibles mediante la impresión 3D por deposición de energía dirigida por láser

Dec 02, 2023

Investigadores de la Universidad RMIT y la Universidad de Sydney han desarrollado una nueva clase de aleaciones de titanio resistentes, dúctiles, sintonizables y sostenibles. Esta investigación se realizó en colaboración con la Universidad Politécnica de Hong Kong y la división Manufacturing Intelligence del desarrollador de software sueco Hexagon.

Las aleaciones de titanio son materiales increíblemente útiles y son apreciados por su resistencia, bajo peso y resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas. Sin embargo, las aleaciones de titanio fabricadas tradicionalmente son caras de producir.

Se dice que esta nueva investigación ofrece potencial para una nueva clase de aleaciones de titanio de alto rendimiento, sostenibles y económicas, para su uso en aplicaciones aeroespaciales, biomédicas, de ingeniería química, espaciales y energéticas. El equipo integró el diseño del proceso de impresión 3D y aleaciones para desarrollar sus nuevas aleaciones de titanio, que se imprimen en 3D a partir de polvos metálicos mediante deposición de energía dirigida por láser (L-DED).

Según el investigador principal, el profesor Ma Qian del RMIT, el equipo de investigación incorporó la economía circular en su diseño. Estas nuevas aleaciones pueden producirse a partir de productos de desecho y materiales de baja calidad, sin necesidad de aditivos costosos como el vanadio y el aluminio. En su lugar, se utilizan oxígeno y hierro, que son baratos y abundantes.

"La reutilización de residuos y materiales de baja calidad tiene el potencial de agregar valor económico y reducir la alta huella de carbono de la industria del titanio", comentó Qian.

El autor principal, el Dr. Tingting Song de RMIT, afirmó que el equipo está "en el comienzo de un viaje importante, desde la prueba de nuestros nuevos conceptos aquí hasta las aplicaciones industriales".

“Hay motivos para estar entusiasmados: la impresión 3D ofrece una forma fundamentalmente diferente de fabricar aleaciones novedosas y tiene claras ventajas sobre los enfoques tradicionales. Existe una oportunidad potencial para que la industria reutilice residuos de aleaciones de titanio, oxígeno y hierro, polvos de titanio reciclados con alto contenido de oxígeno 'fuera de especificación' o polvos de titanio fabricados a partir de desechos de titanio con alto contenido de oxígeno utilizando nuestro enfoque”, agregó Song.

El artículo de investigación del equipo titulado "Aleaciones de titanio, oxígeno y hierro fuertes y dúctiles mediante fabricación aditiva" se publicó en la revista Nature.

Desarrollan nuevas aleaciones de titanio impresas en 3D

Las aleaciones del equipo consisten en una mezcla de dos formas de cristales de titanio, fase alfa-titanio y fase beta-titanio, llamadas Ti-6Al-4V. Cada forma corresponde a una disposición específica de átomos.

La aleación de titanio más común, Ti-6Al-4V, se ha producido tradicionalmente utilizando un 6 % de aluminio y un 4 % de vanadio, y representa más del 50 % de todo el mercado del titanio. Esta nueva investigación sustituye el aluminio y el titanio por oxígeno y hierro. Además de estar fácilmente disponibles y ser económicos, estos elementos son dos de los estabilizadores y fortalecedores más poderosos de las fases alfa y beta titanio.

Tradicionalmente, las aleaciones de titanio que incorporan altos niveles de titanio y oxígeno han enfrentado desafíos que han obstaculizado su desarrollo y adopción.

"Uno de los desafíos es que el oxígeno, descrito coloquialmente como 'la kriptonita del titanio', puede hacer que el titanio se vuelva quebradizo, y el otro es que la adición de hierro podría provocar defectos graves en forma de grandes parches de beta-titanio", dijo Qian.

La impresión 3D L-DED, un proceso generalmente utilizado para fabricar piezas grandes y complejas, permitió a los investigadores superar estos desafíos.

El uso de L-DED permitió al equipo ajustar las propiedades mecánicas de las aleaciones. Los científicos produjeron cristales de titanio de tamaño nanométrico dentro de la aleación, controlando cuidadosamente la distribución de los átomos de oxígeno y hierro. Esto dio como resultado que algunas partes específicas de la aleación fueran fuertes y otras dúctiles, lo que garantiza que el material no se vuelva quebradizo bajo tensión.

Utilizando el módulo DED en el programa Simufact Welding de Hexagon, el equipo imprimió en 3D y probó una serie de estas configuraciones. Después de las pruebas, los investigadores descubrieron que sus aleaciones podían rivalizar en ductilidad y resistencia con otras aleaciones comerciales de titanio.

"El factor fundamental es la distribución única de átomos de oxígeno y hierro dentro y entre las fases de alfa-titanio y beta-titanio", explicó el profesor Simon Ringer, investigador codirector de la Universidad de Sydney.

"Hemos diseñado un gradiente de oxígeno a nanoescala en la fase de alfa-titanio, presentando segmentos con alto contenido de oxígeno que son fuertes y segmentos con bajo contenido de oxígeno que son dúctiles, lo que nos permite ejercer control sobre el enlace atómico local y así mitigar el potencial de fragilidad”.

Novedades en aleaciones para impresión 3D

Esta no es la primera vez que se utiliza la impresión 3D en el desarrollo de aleaciones metálicas. El año pasado, investigadores de la Cátedra de Producción Aditiva Digital (DAP) de la Universidad RWTH Aachen utilizaron la impresión 3D por deposición de materiales por láser de alta velocidad extrema (EHLA) para desarrollar nuevas aleaciones para la fusión de lechos de polvo por láser (PBF).

EHLA se desarrolló originalmente en 2017 como la versión de Fraunhofer ILT de la deposición de energía dirigida (DED) de alto volumen. La investigación de RWTH comparó las características del proceso de ambas tecnologías de impresión y arrojó resultados prometedores en cuanto a la transferibilidad de sus capacidades materiales. A partir de sus hallazgos, el equipo de DAP dedujo que podría calificar a EHLA como una plataforma de desarrollo rápido de aleaciones para la impresión 3D de PBF.

Por otra parte, la NASA, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio de EE. UU., ha desarrollado una novedosa aleación de metal para impresión 3D para su uso en sistemas aeroespaciales de alto rendimiento. Llamado GRX-810, este nuevo material es un ejemplo de una aleación reforzada por dispersión de óxido (ODS), un metal que contiene partículas de óxido a nanoescala. Según se informa, esta aleación es increíblemente fuerte y duradera, capaz de soportar temperaturas superiores a 1090°C (2000°F).

"Las partículas de óxido a nanoescala transmiten los increíbles beneficios de rendimiento de esta aleación", comentó Dale Hopkins, subdirector del proyecto de Herramientas y Tecnologías Transformacionales de la NASA.

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Alex es periodista tecnológico en 3D Printing Industry y disfruta investigando y escribiendo artículos que cubren una amplia variedad de temas. Con una licenciatura en historia militar y una maestría en Historia de la Guerra, tiene un gran interés en las aplicaciones de fabricación aditiva dentro de las industrias aeroespacial y de defensa.