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Uma equipe de pesquisadores criou uma nova classe de ligas de titânio que são fortes e não quebradiças sob tensão, integrando designs de ligas e processos de impressão 3D.
A descoberta, publicada no jornal mais importante Naturezapode ajudar a ampliar as aplicações de ligas de titânio, melhorar a sustentabilidade e impulsionar o design inovador da liga.
Sua descoberta é promissora para uma nova classe de ligas de titânio de alto desempenho mais sustentáveis para aplicações em tecnologias aeroespaciais, biomédicas, de engenharia química, espacial e energética.
A RMIT University e a University of Sydney lideraram a inovação, em colaboração com a Hong Kong Polytechnic University e a empresa Hexagon Manufacturing Intelligence em Melbourne.
O pesquisador principal, Distinguished Professor Ma Qian, da RMIT, disse que a equipe incorporou o pensamento de economia circular em seu design, criando uma grande promessa para a produção de suas novas ligas de titânio a partir de resíduos industriais e materiais de baixa qualidade.
“A reutilização de resíduos e materiais de baixa qualidade tem o potencial de agregar valor econômico e reduzir a pegada de carbono da indústria de titânio”, disse Qian do Centro de Fabricação Aditiva da RMIT na Escola de Engenharia.
Que tipo de ligas de titânio a equipe fez?
As ligas de titânio da equipe consistem em uma mistura de duas formas de cristais de titânio, chamadas de fase alfa-titânio e fase beta-titânio, cada uma correspondendo a um arranjo específico de átomos.
Esta classe de ligas tem sido a espinha dorsal da indústria de titânio. Desde 1954, essas ligas são produzidas principalmente pela adição de alumínio e vanádio ao titânio.
A equipe de pesquisa investigou o uso de oxigênio e ferro – dois dos mais poderosos estabilizadores e fortalecedores das fases alfa e beta-titânio – que são abundantes e baratos.
Dois desafios impediram o desenvolvimento de ligas de titânio-oxigênio-ferro alfa-beta fortes e dúcteis por meio de processos de fabricação convencionais, disse Qian.
“Um desafio é que o oxigênio – descrito coloquialmente como ‘a criptonita para o titânio’ – pode tornar o titânio quebradiço, e o outro é que a adição de ferro pode levar a sérios defeitos na forma de grandes manchas de beta-titânio”.
A equipe usou a Laser Directed Energy Deposition (L-DED), um processo de impressão 3D adequado para fazer peças grandes e complexas, para imprimir suas ligas a partir de pó de metal.
“Um facilitador importante para nós foi a combinação de nossos conceitos de design de liga com o design do processo de impressão 3D, que identificou uma variedade de ligas fortes, dúcteis e fáceis de imprimir”, disse Qian.
As propriedades atraentes dessas novas ligas que podem rivalizar com as ligas comerciais são atribuídas à sua microestrutura, diz a equipe.
“Esta pesquisa oferece um novo sistema de liga de titânio capaz de uma ampla e ajustável gama de propriedades mecânicas, alta capacidade de fabricação, enorme potencial para redução de emissões e insights para design de materiais em sistemas semelhantes”, disse o co-pesquisador principal da University of Sydney Pro-Vice- Chanceler Professor Simon Ringer.
“O facilitador crítico é a distribuição única de átomos de oxigênio e ferro dentro e entre as fases alfa-titânio e beta-titânio.
“Projetamos um gradiente de oxigênio em nanoescala na fase alfa-titânio, apresentando segmentos de alto oxigênio que são fortes e segmentos de baixo oxigênio que são dúcteis, permitindo-nos exercer controle sobre a ligação atômica local e assim mitigar o potencial de fragilização.”
Quais são as aplicações potenciais dos resultados da pesquisa?
O principal autor, Dr. Tingting Song, pesquisador do vice-chanceler do RMIT, disse que a equipe está “no início de uma grande jornada, desde a prova de nossos novos conceitos aqui, até as aplicações industriais”.
“Há motivos para ficar animado – a impressão 3D oferece uma maneira fundamentalmente diferente de fazer novas ligas e tem vantagens distintas sobre as abordagens tradicionais”, disse ela.
“Existe uma oportunidade potencial para a indústria reutilizar resíduos de liga de titânio-oxigênio-ferro, pós de titânio com alto teor de oxigênio reciclado ‘fora da especificação’ ou pós de titânio feitos de titânio com alto teor de oxigênio usando nossa abordagem.”
O co-autor principal, Dr. Zibin Chen, que ingressou na Universidade Politécnica de Hong Kong vindo da Universidade de Sydney nos estágios posteriores da colaboração, disse que a pesquisa teve implicações mais amplas.
“A fragilização por oxigênio é um grande desafio metalúrgico não apenas para o titânio, mas também para outros metais importantes, como zircônio, nióbio e molibdênio e suas ligas”, disse ele.
“Nosso trabalho pode fornecer um modelo para mitigar esses problemas de fragilização por oxigênio por meio de impressão 3D e design de microestrutura”.
Apoio a esta pesquisa
O trabalho da equipe se beneficiou de investimentos sustentados e direcionados em infraestrutura de pesquisa de governos nacionais e estaduais e de universidades, disse o professor Ringer.
“De muitas maneiras, este trabalho mostra o poder da estratégia nacional de infraestrutura de pesquisa colaborativa da Austrália e define o cenário para estender essa estratégia ao domínio da manufatura avançada”, disse ele.
O Conselho de Pesquisa da Austrália (ARC), por meio do Programa Discovery e do Centro de Treinamento em Engenharia de Superfície para Materiais Avançados (SEAM), financiou e apoiou esta pesquisa.
A equipe reconhece o apoio do programa Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar Austrália-EUA apoiado pelo governo australiano; A Universidade Politécnica de Hong Kong; os State Key Laboratories em Hong Kong da Comissão de Inovação e Tecnologia do Governo; e a Hexagon Manufacturing Intelligence por sua solução Simufact DED usada no projeto do processo L-DED.
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