Un nuevo proceso de impresión 3D abrió una nueva clase de aleaciones de titanio fuertes, dúctiles y ajustables que podrían fabricarse potencialmente a partir de productos de desecho, sin aditivos costosos como el vanadio. También podría funcionar para el circonio, el niobio y el molibdeno.
Las aleaciones de titanio son materiales costosos pero altamente útiles que se utilizan con frecuencia en situaciones que requieren alta resistencia, bajo peso y resistencia a la corrosión y altas temperaturas. A menudo se encuentran en aplicaciones aeroespaciales, automotrices de alta gama, construcción, deportes, industria y salud.
La investigación
Un equipo de investigación liderado por la Universidad RMIT de Australia, en colaboración con la Universidad de Sídney, la Universidad Politécnica de Hong Kong y Hexagon Manufacturing Intelligence en Melbourne, afirma haber desarrollado una forma fundamentalmente diferente de fabricar nuevas aleaciones de titanio. Son tan fuertes y maleables como las aleaciones de titanio/vanadio/aluminio, pero que utilizan oxígeno y hierro baratos y abundantes en lugar de los metales más costosos.
Este es un gran cambio en la fabricación estándar de aleaciones de titanio. Según el equipo, el oxígeno sería un gran estabilizador y fortalecedor para la fase alfa del titanio, pero también lo vuelve frágil y propenso a agrietarse, de ahí su apodo de «kriptonita» del titanio. Existen reglas de diseño empíricas para las aleaciones de titanio industriales que limitan el contenido de oxígeno entre 0,12% y 0,72%, según la aleación que se esté fabricando, y normalmente se utiliza aluminio para este propósito.
De manera similar, el hierro no solo es barato y abundante, sino que también es el segundo candidato más ligero para estabilizar la fase beta del titanio. Sin embargo, tiende a hacer que el titanio beta se agrupe en grandes manchas de varios centímetros de tamaño, lo que provoca defectos estructurales en el metal final. Por lo tanto, también se controla estrictamente y se mantiene por debajo del 2% en la mayoría de la fabricación de aleaciones industriales.
El equipo descubrió que pudo eliminar estas desventajas mezclando las aleaciones como parte de un proceso de impresión 3D conocido como deposición de energía dirigida de polvo metálico por láser, lo que les permitió prestar atención detallada a la microestructura del material a medida que se depositaba.
El proceso del titanio
Crearon e imprimieron una serie de aleaciones utilizando oxígeno y hierro como estabilizadores, y las probaron de diversas formas, descubriendo que podían rivalizar en resistencia y ductilidad con las aleaciones de titanio comerciales. Al ser impresos en 3D, estas nuevas aleaciones se crean en las formas exactas requeridas, pero las propiedades del metal también se pueden adaptar a lo que se está fabricando, de ahí el apodo de «aleaciones de titanio diseñadas».
“El factor crítico es la distribución única de átomos de oxígeno e hierro dentro y entre las fases de titanio alfa y beta. Hemos diseñado un gradiente nanométrico de oxígeno en la fase de titanio alfa, con segmentos de alto contenido de oxígeno que son fuertes y segmentos de bajo contenido de oxígeno que son dúctiles, lo que nos permite controlar la unión atómica local y mitigar el potencial de fragilización”. Simon Ringer, coautor y Vicerrector de Investigación de la Universidad de Sídney
La fragilización por oxígeno no es solo un problema para el titanio, sino que también es un factor clave que impide su uso en el circonio, el niobio, el molibdeno y otros metales. Los investigadores creen que el mismo proceso puede ser posible con estos otros metales, pero se requiere más investigación.
Además de limitar el uso de metales costosos, esta técnica también podría reducir el costo de las aleaciones de titanio al aprovechar los desechos industriales reciclados y materiales que actualmente se consideran de baja calidad.
