Des chercheurs développent une nouvelle classe d’alliages de titane durables grâce à l’impression 3D par dépôt d’énergie dirigé par laser

Dec 02, 2023

Des chercheurs de l’Université RMIT et de l’Université de Sydney ont développé une nouvelle classe d’alliages de titane solides, ductiles, ajustables et durables. Cette recherche a été menée en collaboration avec l'Université polytechnique de Hong Kong et la division Manufacturing Intelligence du développeur de logiciels suédois Hexagon.

Les alliages de titane sont des matériaux incroyablement utiles et sont appréciés pour leur solidité, leur faible poids et leur résistance à la corrosion et aux températures élevées. Cependant, les alliages de titane fabriqués traditionnellement sont coûteux à produire.

Cette nouvelle recherche offrirait le potentiel d’une nouvelle classe d’alliages de titane hautes performances, durables et bon marché, destinés à être utilisés dans les applications aérospatiales, biomédicales, chimiques, spatiales et énergétiques. L'équipe a intégré la conception d'alliages et de processus d'impression 3D pour développer ses nouveaux alliages de titane, qui sont imprimés en 3D à partir de poudres métalliques à l'aide du dépôt d'énergie dirigé par laser (L-DED).

Selon le professeur Ma Qian du RMIT, chercheur principal, l’équipe de recherche a intégré l’économie circulaire dans sa conception. Ces nouveaux alliages peuvent être produits à partir de déchets et de matériaux de faible qualité, sans nécessiter d'additifs coûteux tels que le vanadium et l'aluminium. Au lieu de cela, l’oxygène et le fer, qui sont à la fois bon marché et abondants, sont utilisés.

« La réutilisation des déchets et des matériaux de mauvaise qualité a le potentiel d'ajouter de la valeur économique et de réduire l'empreinte carbone élevée de l'industrie du titane », a commenté Qian.

L'auteur principal, le Dr Tingting Song du RMIT, a affirmé que l'équipe est « au début d'un voyage majeur, depuis la preuve de nos nouveaux concepts ici, vers des applications industrielles ».

« Il y a de quoi s’enthousiasmer : l’impression 3D offre une manière fondamentalement différente de fabriquer de nouveaux alliages et présente des avantages distincts par rapport aux approches traditionnelles. Il existe une opportunité potentielle pour l'industrie de réutiliser les déchets d'éponge titane-oxygène-fer, les poudres de titane recyclées à haute teneur en oxygène « hors spécifications » ou les poudres de titane fabriquées à partir de déchets de titane à haute teneur en oxygène en utilisant notre approche », a ajouté Song.

Le document de recherche de l'équipe intitulé « Alliages titane-oxygène-fer forts et ductiles par fabrication additive » a été publié dans la revue Nature.

Développement de nouveaux alliages de titane imprimés en 3D

Les alliages de l'équipe sont constitués d'un mélange de deux formes de cristaux de titane, la phase alpha-titane et la phase bêta-titane, appelées Ti-6Al-4V. Chaque forme correspond à un arrangement spécifique d'atomes.

L'alliage de titane le plus courant, le Ti-6Al-4V, est traditionnellement produit avec 6 % d'aluminium et 4 % de vanadium et représente plus de 50 % de l'ensemble du marché du titane. Cette nouvelle recherche remplace l'aluminium et le titane par de l'oxygène et du fer. En plus d'être facilement disponibles et peu coûteux, ces éléments sont deux des stabilisants et renforçateurs les plus puissants des phases alpha et bêta du titane.

Traditionnellement, les alliages de titane incorporant des niveaux élevés de titane et d’oxygène ont été confrontés à des défis qui ont entravé leur développement et leur adoption.

"L'un des défis est que l'oxygène - décrit familièrement comme" la kryptonite du titane "- peut rendre le titane cassant, et l'autre est que l'ajout de fer pourrait entraîner de graves défauts sous la forme de grandes taches de bêta-titane", a déclaré Qian.

L’impression 3D L-DED, procédé généralement utilisé pour fabriquer des pièces volumineuses et complexes, a permis aux chercheurs de surmonter ces défis.

L’utilisation du L-DED a permis à l’équipe d’ajuster les propriétés mécaniques des alliages. Les scientifiques ont produit des cristaux de titane de taille nanométrique dans l’alliage, contrôlant soigneusement la répartition des atomes d’oxygène et de fer. Cela a permis de rendre certaines parties spécifiques de l'alliage plus solides et d'autres plus ductiles, garantissant ainsi que le matériau n'est pas cassant sous tension.

À l’aide du module DED du programme Simufact Welding d’Hexagon, l’équipe a imprimé et testé en 3D une série de ces configurations. Après des tests, les chercheurs ont découvert que leurs alliages pouvaient rivaliser en termes de ductilité et de résistance avec d’autres alliages de titane commerciaux.