Mae ymchwilwyr yn RMIT a Phrifysgol Sydney, mewn cydweithrediad â Phrifysgol Polytechnig Hong Kong ac is-adran Cudd-wybodaeth Gweithgynhyrchu datblygwr meddalwedd Sweden Hexagon, wedi datblygu deunydd aloi titaniwm newydd yn llwyddiannus. Mae'r cyflawniad ymchwil hwn yn agor posibiliadau newydd ar gyfer cymhwyso aloion titaniwm mewn meysydd lluosog ac yn darparu goblygiadau buddiol ar gyfer gwireddu dulliau gweithgynhyrchu mwy cynaliadwy.
△ Diagram sgematig o ficrostrwythur aloi titaniwm wedi'i argraffu gan ddyddodiad ynni wedi'i gyfeirio â laser 3D
Beth mae'r aloi titaniwm printiedig 3D newydd yn ei wneud?
Mae'r aloi titaniwm hwn yn gryf, yn hydrin, yn addasadwy ac yn gynaliadwy. Mae cost gweithgynhyrchu aloion titaniwm yn gonfensiynol yn uchel, ac mae'r ymchwil hwn yn cynnig potensial ar gyfer aloion titaniwm perfformiad uchel newydd gyda chymwysiadau mewn awyrofod, biofeddygaeth, peirianneg gemegol, gofod ac ynni, ymhlith meysydd eraill.
Defnyddiodd y tîm ymchwil gyfuniad o aloi a dylunio proses argraffu 3D i argraffu 3D yr aloi titaniwm newydd hwn o bowdr metel gan ddefnyddio technoleg dyddodiad ynni wedi'i gyfeirio â laser (L-DED). Mae'r broses weithgynhyrchu arloesol hon yn gwneud cynhyrchu aloion titaniwm yn fwy cynaliadwy a fforddiadwy.
△Tingting Song (chwith) a Ma Qian (dde)
Dywedodd yr ymchwilydd arweiniol yr Athro Ma Qian o Brifysgol RMIT eu bod wedi ymgorffori'r cysyniad o economi gylchol yn y dyluniad. Gellir cynhyrchu'r aloi newydd gan ddefnyddio sgrap a deunyddiau gradd isel, heb ychwanegion costus fel vanadium ac alwminiwm, ond gydag ocsigen a haearn rhad a helaeth.
"Mae gan ailddefnyddio gwastraff a deunyddiau o ansawdd isel y potensial i ychwanegu gwerth economaidd a lleihau ôl troed carbon uchel y diwydiant titaniwm," esboniodd yr Athro Qian.
Prif awdur yr astudiaeth yw Tingting Song, myfyriwr PhD yn RMIT. Dywedodd fod y tîm ar gam pwysig o ddilysu eu cysyniad newydd i wireddu cymwysiadau diwydiannol.
Ychwanegodd Song: "Mae gennym reswm i fod yn gyffrous bod argraffu 3D yn cynnig ffordd hollol wahanol o wneud aloion newydd gyda manteision clir dros ddulliau traddodiadol. Mae yna gyfle posibl i ddiwydiant fanteisio ar ein dull." Ailddefnyddio sbwng ferro-titaniwm gwastraff, "oddi ar y fanyleb" powdr titaniwm uchel-ocsigen wedi'i ailgylchu, neu bowdr titaniwm wedi'i wneud o ditaniwm gwastraff uchel-ocsigen."
△ Mae'r papur ymchwil wedi'i gyhoeddi yn y cyfnodolyn "Nature", a theitl yr ymchwil yw "Gwireddu Aloeon Titaniwm Ocsid Haearn Cryf a Chaled Trwy Gweithgynhyrchu Argraffu 3D"
Heriau wrth ddatblygu aloion newydd
Mae aloi'r tîm yn cynnwys dau fath o grisialau titaniwm, sef cymysgedd o'r cyfnod alffa-titaniwm a'r cyfnod beta-titaniwm, a elwir yn Ti-6Al-4V. Mae pob ffurf yn cyfateb i drefniant penodol o atomau.
Ti-6Al-4V yw'r aloi titaniwm mwyaf cyffredin, gan ddefnyddio 6 y cant o alwminiwm a 4 y cant o fanadiwm mewn dulliau cynhyrchu traddodiadol, gan gyfrif am fwy na 50 y cant o'r farchnad aloi titaniwm. Defnyddiodd yr astudiaeth newydd ocsigen a haearn yn lle alwminiwm a fanadiwm. Yn ogystal â bod ar gael yn hawdd a chost gymharol isel, yr elfennau hyn yw'r ddau sefydlogwr a chryfhau mwyaf effeithiol y cyfnodau -titaniwm a -titaniwm.
Yn draddodiadol, mae aloion titaniwm sy'n cynnwys lefelau uchel o ditaniwm ac ocsigen wedi wynebu heriau datblygu a mabwysiadu.
Dywedodd Qian: "Un her yw bod ocsigen, a ddisgrifir ar lafar fel 'kryptonit titaniwm', yn achosi titaniwm i ddod yn frau; her arall yw y gall ychwanegu haearn arwain at ddiffygion difrifol ym morffoleg dalennau mawr o gyfnod -titaniwm."
△ Llwyddodd y tîm i wireddu argraffu 3D o ficrostrwythur lefel atomig ar ryngwyneb cam yr aloi newydd trwy dechnoleg dyddodiad ynni wedi'i gyfeirio â laser (L-DED).
Mae defnyddio technoleg argraffu 3D L-DED yn galluogi ymchwilwyr i oresgyn heriau yn llwyddiannus
Defnyddir argraffu L-DED 3D yn aml i greu rhannau mawr a chymhleth, ac mae'n caniatáu i wyddonwyr diwnio priodweddau mecanyddol aloion. Llwyddasant i greu crisialau titaniwm nanoraddfa yn yr aloi gyda rheolaeth fanwl gywir dros ddosbarthiad atomau ocsigen a haearn. Mae hyn yn gwneud rhai ardaloedd o'r aloi yn gryf iawn, tra bod eraill yn hydwyth, gan sicrhau nad yw'r deunydd yn mynd yn frau pan fydd straen.
Defnyddiodd y tîm y modiwl DED ym meddalwedd Simufact Welding Hexagon i argraffu 3D a phrofi cyfres o gydrannau o'r fath. Ar ôl profi, canfu'r ymchwilwyr fod eu aloi yn debyg i aloion titaniwm masnachol eraill o ran hydwythedd a chryfder.
Eglurodd yr ymchwilydd cyd-arwain yr Athro Simon Ringer o Brifysgol Sydney: "Y galluogwr allweddol yw dosbarthiad unigryw ocsigen a atomau haearn rhwng ac o fewn y cyfnodau alffa-titaniwm a beta-titaniwm. Mae'r graddiant ocsigen lefel uchel, gan gynnwys uchel cryf rhanbarthau -ocsigen a rhanbarthau hydwyth isel-ocsigen, yn ein galluogi i reoli bondio atomig lleol a thrwy hynny liniaru'r broblem brau.
