RMIT와 시드니 대학의 연구원들은 홍콩 폴리테크닉 대학 및 스웨덴 소프트웨어 개발업체인 Hexagon의 제조 인텔리전스 부서와 협력하여 새로운 티타늄 합금 소재를 성공적으로 개발했습니다. 이 연구 성과는 여러 분야에서 티타늄 합금을 적용할 수 있는 새로운 가능성을 열어주고 보다 지속 가능한 제조 방법을 실현하는 데 유익한 영향을 미칩니다.
△레이저 지향 에너지 증착 3D로 인쇄된 티타늄 합금의 미세구조 개략도
새로운 3D 인쇄 티타늄 합금은 무엇을 합니까?
이 티타늄 합금은 강하고 가단하며 조정 가능하고 지속 가능합니다. 기존 방식으로 티타늄 합금을 제조하는 데 드는 비용이 높기 때문에 이 연구는 항공 우주, 생물 의학, 화학 공학, 우주 및 에너지 분야에 응용할 수 있는 새로운 고성능 티타늄 합금의 잠재력을 제공합니다.
연구팀은 레이저 지향 에너지 증착(L-DED) 기술을 사용하여 금속 분말에서 이 새로운 티타늄 합금을 3D 인쇄하기 위해 합금과 3D 인쇄 공정 설계의 조합을 사용했습니다. 이 혁신적인 제조 공정은 티타늄 합금 생산을 보다 지속 가능하고 저렴하게 만듭니다.
△팅팅송(왼쪽), 마첸(오른쪽)
RMIT 대학의 수석 연구원 Ma Qian 교수는 순환 경제의 개념을 디자인에 통합했다고 말했습니다. 새로운 합금은 바나듐, 알루미늄과 같은 값비싼 첨가물 없이 저렴하고 풍부한 산소와 철을 함유한 스크랩 및 저급 재료를 사용하여 생산할 수 있습니다.
Qian 교수는 "폐기물과 저품질 재료의 재사용은 경제적 가치를 더하고 티타늄 산업의 높은 탄소 발자국을 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다."라고 설명했습니다.
이 연구의 주 저자는 RMIT의 박사 과정 학생인 Tingting Song입니다. 그녀는 팀이 새로운 개념을 검증하는 것부터 산업 응용을 실현하는 것까지 중요한 단계에 있다고 말했습니다.
Song은 "3D 프린팅이 기존 방법에 비해 분명한 이점을 가진 새로운 합금을 만드는 완전히 다른 방법을 제공한다는 사실에 흥분할 이유가 있습니다. 업계에서 우리 방법을 활용할 수 있는 잠재적인 기회가 있습니다."라고 덧붙였습니다. 페로티타늄 폐스펀지 재사용, "사양 외" 재활용 고산소 티타늄 분말 또는 고산소 폐티타늄으로 만든 티타늄 분말."
△연구 논문은 "Nature" 저널에 게재되었으며, 연구 제목은 "Realizing Strong and Tough Iron Titanium Oxide Alloys Through 3D Printing Manufacturing"입니다.
새로운 합금 개발의 과제
연구팀의 합금은 Ti-6Al-4V로 알려진 알파-티타늄 상과 베타-티타늄 상이 혼합된 두 가지 형태의 티타늄 결정으로 구성되어 있습니다. 각 형태는 특정 원자 배열에 해당합니다.
Ti-6Al-4V는 가장 일반적인 티타늄 합금으로, 전통적인 생산 방법에서 알루미늄 6%와 바나듐 4%를 사용하여 티타늄 합금 시장의 50% 이상을 차지합니다. 새로운 연구에서는 알루미늄과 바나듐 대신 산소와 철을 사용했습니다. 쉽게 구할 수 있고 상대적으로 저렴한 비용 외에도 이러한 요소는 -티타늄 및 -티타늄 상의 두 가지 가장 효과적인 안정제 및 강화제입니다.
전통적으로 높은 수준의 티타늄과 산소를 포함하는 티타늄 합금은 개발 및 채택 문제에 직면했습니다.
Qian은 "한 가지 문제는 구어체로 '티타늄의 크립토나이트'로 묘사되는 산소가 티타늄을 부서지기 쉽게 만든다는 것입니다.
△팀은 레이저 지향 에너지 증착(L-DED) 기술을 통해 신합금의 -상 계면에 원자 수준 미세구조의 3D 프린팅 구현에 성공했다.
L-DED 3D 프린팅 기술을 사용하여 연구원들은 성공적으로 문제를 극복할 수 있습니다.
L-DED 3D 프린팅은 종종 크고 복잡한 부품을 만드는 데 사용되며 과학자들이 합금의 기계적 특성을 조정할 수 있도록 합니다. 그들은 산소와 철 원자의 분포를 정밀하게 제어하여 합금에서 나노 크기의 티타늄 결정을 만드는 데 성공했습니다. 이것은 합금의 특정 영역을 매우 강하게 만드는 반면 다른 영역은 연성이 있어 응력을 받을 때 재료가 부서지지 않도록 합니다.
이 팀은 Hexagon의 Simufact Welding 소프트웨어에 있는 DED 모듈을 사용하여 일련의 이러한 구성 요소를 3D 프린팅하고 테스트했습니다. 테스트 후 연구원들은 그들의 합금이 연성 및 강도 면에서 다른 상용 티타늄 합금과 비슷하다는 것을 발견했습니다.
공동 연구를 주도한 시드니 대학의 Simon Ringer 교수는 "핵심 요소는 알파-티타늄 및 베타-티타늄 단계 사이 및 내부에 산소와 철 원자의 고유한 분포입니다. -산소 영역 및 연성 저산소 영역은 국부적 원자 결합을 제어할 수 있게 하여 취성 문제를 완화합니다.
