27.10.2021 - City University of Hong Kong

Diseño innovador de una aleación de titanio con propiedades supremas mediante impresión 3D

Nueva vía para diseñar aleaciones con estructuras y propiedades inéditas para diversas aplicaciones estructurales

Una investigación dirigida por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado con éxito una aleación de titanio superfuerte, muy dúctil y superligera mediante la fabricación aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D. Sus hallazgos abren una nueva vía para diseñar aleaciones con estructuras y propiedades sin precedentes para diversas aplicaciones estructurales.

El equipo de investigación fue dirigido por el profesor Liu Chain-Tsuan, catedrático distinguido de la Facultad de Ingeniería y miembro principal del Instituto de Estudios Avanzados de Hong Kong (HKIAS) de la CityU. El Dr. Zhang Tianlong, postdoc del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales (MSE), realizó los experimentos. Su artículo, al que también contribuyó el presidente Way Kuo de CityU, se publicó recientemente en la revista científica Science.

La impresión 3D: no es sólo una tecnología para dar forma

La mayoría de la gente considera la impresión 3D como una tecnología revolucionaria que puede producir piezas de máquinas con formas complejas en un solo paso. "Sin embargo, hemos desvelado que tiene un importante potencial en el diseño de materiales, más que en el simple diseño de geometrías", dijo el Dr. Zhang, que completó su doctorado en CityU bajo la supervisión del profesor Liu a principios de este año.

Los metalúrgicos tienden a pensar que la falta de uniformidad en los componentes de las aleaciones es indeseable porque da lugar a malas propiedades, como la fragilidad. Una de las cuestiones clave en el proceso de fabricación aditiva es cómo eliminar esta falta de homogeneidad durante el enfriamiento rápido. Pero el estudio previo de modelización y simulación del Dr. Zhang descubrió que un cierto grado de heterogeneidad en los componentes puede producir microestructuras únicas y heterogéneas que mejoran las propiedades de la aleación. Así que intentó hacer realidad estos resultados de la simulación mediante la fabricación aditiva.

Diseño de microestructuras únicas

"Las características únicas de la fabricación aditiva nos proporcionan una mayor libertad a la hora de diseñar microestructuras", explicó el Dr. Zhang, que también es el primer autor del trabajo. "En concreto, hemos desarrollado un método de homogeneización parcial para producir aleaciones con gradientes de concentración a escala micrométrica con la ayuda de la impresión 3D, lo cual es inalcanzable por cualquier método convencional de fabricación de materiales".

El método que proponen consiste en fundir y mezclar dos aleaciones diferentes, es decir, polvos de aleación de titanio y polvos de acero inoxidable, utilizando un rayo láser enfocado. Controlando parámetros como la potencia del láser y su velocidad de barrido durante el proceso de impresión 3D, el equipo consiguió crear la composición no uniforme de los elementos de la nueva aleación de forma controlable.

"Además del uso de la fabricación aditiva, la composición de la mezcla de dos polvos es otra de las claves para crear las microestructuras sin precedentes de tipo lava con una alta metaestabilidad en la nueva aleación", dijo el profesor Liu. "Estas microestructuras únicas dan lugar a las propiedades mecánicas supremas, permitiendo que la aleación sea muy fuerte pero dúctil, y con un peso ligero".

Novedosa aleación: 40% más ligera y superresistente

Mientras que el acero inoxidable suele pesar 7,9 gramos por centímetro cúbico, la nueva aleación sólo pesa 4,5 gramos por centímetro cúbico, lo que supone un 40% menos de peso. En sus experimentos, la aleación de titanio con microestructuras similares a las de la lava mostró una alta resistencia a la tracción de aproximadamente 1,3 gigapascales con un alargamiento uniforme de aproximadamente el 9%. También presentaba una excelente capacidad de endurecimiento por trabajo de más de 300 megapascales, lo que garantiza un amplio margen de seguridad antes de la fractura y resulta útil en aplicaciones estructurales.

"Estas excelentes propiedades son prometedoras para aplicaciones estructurales en diversos escenarios, como las industrias aeroespacial, automovilística, química y médica", dijo el profesor Liu.

"Como primer equipo que utiliza la impresión 3D para desarrollar nuevas aleaciones con microestructuras y propiedades únicas, seguiremos aplicando esta idea de diseño a diferentes sistemas de aleación para seguir explorando otras propiedades de las nuevas aleaciones", añadió.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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