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May 26, 2023

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La production industrielle d’alliages de titane a toujours été confrontée à des défis liés à la qualité et à la gestion des déchets. Ingénieurs scientifiques de l’Université polytechnique de Hong Kong

La production industrielle d’alliages de titane a toujours été confrontée à des défis liés à la qualité et à la gestion des déchets. Des ingénieurs scientifiques de l'Université polytechnique de Hong Kong (PolyU), en collaboration avec l'Université RMIT et l'Université de Sydney, ont utilisé avec succès la fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D, pour résoudre ces problèmes de longue date dans la production d'alliages de titane. L'étude de recherche, intitulée « Alliages titane-oxygène-fer solides et ductiles par fabrication additive », a été récemment publiée dans Nature.

Les alliages de titane sont des matériaux légers avancés qui jouent un rôle indispensable dans de nombreuses applications critiques. La découverte par l'équipe de recherche de l'utilisation innovante de la fabrication additive pour la production d'alliages de titane et potentiellement d'autres matériaux métalliques offre de nombreux avantages, tels qu'une réduction des coûts, des performances améliorées et une gestion durable des déchets.

Grâce à l’impression 3D, l’équipe de recherche a produit un nouvel alliage de titane solide, ductile et durable (alliage α-β Ti-O-Fe). Ces propriétés sont obtenues grâce à l’incorporation d’oxygène et de fer peu coûteux et abondants, qui sont les deux éléments stabilisants et renforçants les plus puissants pour les alliages de titane en phase α – β. Le nouvel alliage de titane présente un immense potentiel pour diverses applications, allant de l'ingénierie aérospatiale et marine à l'électronique grand public et aux appareils biomédicaux.

Comparé au matériau de référence Ti-6AI-4V, largement utilisé depuis sa formulation en 1954, le nouvel alliage de titane produit par l'équipe de recherche démontre de meilleures performances mécaniques, avec une ductilité comparable et une résistance considérablement supérieure.

Bien que les méthodes de fabrication traditionnelles, telles que le moulage, puissent également être utilisées pour produire le nouvel alliage de titane, les mauvaises propriétés du matériau obtenu peuvent le rendre impropre à l'ingénierie pratique. La fabrication additive surmonte efficacement les limites des méthodes traditionnelles pour améliorer les propriétés des alliages.

Le procédé Kroll, à forte intensité énergétique, généralement utilisé pour produire des alliages de titane, génère du titane spongieux de mauvaise qualité, qui représente environ 10 % de tout le titane spongieux, ce qui entraîne des déchets importants et une augmentation des coûts de production. La fabrication additive résout efficacement ce problème en permettant le recyclage du titane spongieux de mauvaise qualité, convertissant les déchets en poudre destinée à être utilisée comme matière première.

Le Dr Zibin CHEN, professeur adjoint du département d'ingénierie industrielle et des systèmes de PolyU, lauréat du Young Innovative Researcher Award 2022 et auteur principal de la recherche, a déclaré : « Notre travail peut faciliter le recyclage de plus de 10 % du déchets générés par l'industrie de production d'alliages métalliques. Cela peut réduire considérablement les coûts des matériaux et de l'énergie pour les industries, contribuant ainsi à la durabilité environnementale et à la réduction de l'empreinte carbone.

La recherche intègre la conception d’alliages, des simulations informatiques et une caractérisation expérimentale pour explorer l’espace processus de fabrication additive-microstructure-propriétés pour le nouvel alliage de titane (alliage α-β Ti-O-Fe).

L'étude souligne que la fabrication additive permet la production en une seule étape de pièces métalliques complexes et fonctionnelles, accélérant ainsi le développement de produits à coûts réduits. De plus, il peut être utilisé pour fabriquer des pièces métalliques avec des structures et des compositions uniques, ce qui ne peut être obtenu avec les méthodes traditionnelles.

En termes d'amélioration de la qualité, la fabrication additive permet d'ajuster la microstructure des alliages métalliques, ce qui entraîne une résistance, une flexibilité et une résistance accrues à la corrosion et à l'eau. De plus, des pièces métalliques légères mais solides avec des motifs internes complexes peuvent être fabriquées. Cette percée en recherche ouvre des possibilités pour des stratégies de conception de matériaux holistiques et durables facilitées par l’impression 3D.

Le professeur Keith KC CHAN, professeur titulaire de la chaire d'ingénierie de fabrication au département d'ingénierie industrielle et des systèmes de PolyU et co-auteur de l'étude, a noté : « Ce travail peut servir de modèle ou de référence pour d'autres alliages métalliques qui utilisent l'impression 3D. pour améliorer leurs propriétés et élargir leur applicabilité. L’impression 3D métal est un domaine émergent et il faudra du temps avant qu’elle soit largement adoptée dans la fabrication de matériaux.