's Werelds hardste titaniumlegering gemaakt met behulp van 3D-printtechnologie

Wetenschappers hebben nieuwe resultaten behaald door 3D-printtechnologie toe te passen op titaniumlegeringen. Daarmee hebben ze de duurzaamheid van het materiaal verdubbeld en de mogelijke toepassingen in de lucht- en ruimtevaart uitgebreid.

Nieuwe titaniumlegering heeft recordhoge vermoeiingssterkte. Foto: iStock — Nieuwe titaniumlegering heeft recordhoge vermoeiingssterkte. Foto: *iStock*

De Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) beschreef de prestatie in een studie die op 28 februari in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd. Het onderzoek was het resultaat van een samenwerking tussen de wetenschappers Zhang Zhenjun en Zhang Zhefeng van het Shenyang Laboratory of Materials Science van het Institute of Materials Research van CAS en Robert Ritchie van de Universiteit van Californië, Berkeley. Volgens het artikel ontstond het onderzoeksidee in China en werden de materiaalmonsters daar ook geproduceerd. Ritchie nam deel aan de evaluatie van het proces.

Hoewel 3D-printen een revolutie teweeg heeft gebracht in de productie, is het gebruik ervan beperkt tot de fabricage van onderdelen die een hoge vermoeiingsweerstand vereisen. Vermoeiingssterkte of vermoeiingsweerstand is het vermogen van een machineonderdeel om vermoeiingsschade zoals putcorrosie en oppervlaktescheuren te weerstaan.

Metaal 3D-printen, waarbij lasers metaalpoeder smelten en dit in korte tijd in complexe vormen aanbrengen, is perfect voor het snel vervaardigen van grote, complexe componenten. De hoge hitte die wordt gegenereerd door de krachtige laserstralen die doorgaans tijdens het printen worden gebruikt, leidt echter tot de vorming van luchtbellen in het onderdeel, wat de prestaties van de legering kan beïnvloeden. Deze kleine gaatjes kunnen een bron van spanning vormen, wat leidt tot vroegtijdige scheurvorming en een kortere vermoeiingslevensduur van het materiaal.

Om dit probleem op te lossen, besloot het team een poriënvrije titaniumlegering te produceren. Ze ontwikkelden een proces met Ti-6Al-4V, een titanium-aluminium-vanadiumlegering, dat de hoogste vermoeiingssterkte van alle bekende titaniumlegeringen bereikte. Volgens Zhang Zhenjun begint het proces met een hete isotherme persbewerking om de poriën te verwijderen, gevolgd door snelle afkoeling voordat er veranderingen in de interne structuur van de legering kunnen optreden. Het proces resulteerde in een poriënvrije legering met een 106% hogere treksterkte, van de gebruikelijke 475 MPa naar 978 MPa, waarmee een wereldrecord werd gevestigd.

Zhang Zhenjun zei dat de prestatie veelbelovend is voor toepassingen in industrieën die lichtgewicht materialen nodig hebben, zoals de lucht- en ruimtevaart en voertuigen op nieuwe energie. Tot nu toe is het materiaal alleen geproduceerd op de schaal van een haltervormig prototype, waarbij het dunste deel 3 mm meet, te klein voor praktische toepassingen. Hoewel de technologie zich nog in de experimentele fase bevindt, heeft ze een groot potentieel voor de productie van complexe apparaten.

Volgens CAS worden veel onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart, waaronder de nozzle van NASA-raketten, de romp van de J-20-straaljager en de brandstofnozzle van de Chinese C919, gemaakt met behulp van 3D-printtechnologie. Dankzij de schaalvergroting in de toekomst zal de nieuwe technologie breder worden toegepast.

An Khang (volgens Tech Times )

Bronlink