Tingting Song et Ma Qian (de gauche à droite) avec une pièce en alliage de titane créée avec l’imprimante laser 3D que l’équipe a utilisée à l’université RMIT. Remarque : il ne s’agit pas d’une pièce en alliage fabriquée par l’équipe dans le cadre de cette recherche.

Un nouveau procédé d’impression 3D a ouvert une nouvelle classe d’alliages de titane résistants, ductiles et réglables, qui pourraient être fabriqués à partir de déchets, sans additifs coûteux comme le vanadium. Ce procédé pourrait également fonctionner pour le zirconium, le niobium et le molybdène.

Les alliages de titane sont des matériaux coûteux mais très utiles, fréquemment utilisés dans des situations nécessitant une grande solidité, un faible poids et une résistance à des éléments tels que la corrosion et les températures élevées. Ils sont souvent utilisés dans l’aérospatiale, l’automobile haut de gamme, la construction, le sport, l’industrie et la santé.

Une équipe de recherche dirigée par l’université australienne RMIT, en collaboration avec l’université de Sydney, l’université polytechnique de Hong Kong et Hexagon Manufacturing Intelligence à Melbourne, affirme avoir mis au point une méthode fondamentalement différente pour fabriquer de nouveaux alliages de titane qui sont tout aussi solides et faciles à travailler que les alliages titane/vanadium/aluminium, mais qui utilisent de l’oxygène et du fer abondants et bon marché à la place des métaux plus coûteux.

Il s’agit là d’un changement radical par rapport à la fabrication standard d’alliages de titane. Selon l’équipe, l’oxygène serait un excellent stabilisateur et renforçateur de la phase alpha du titane, mais il la fragilise et la fissure – d’où son surnom de « kryptonite » du titane. Il existe des règles de conception empiriques pour les alliages industriels de titane qui limitent la teneur en oxygène entre 0,12 % et 0,72 %, en fonction de l’alliage fabriqué, et l’aluminium est généralement utilisé à cette fin.

De même, le fer n’est pas seulement bon marché et abondant, c’est aussi le deuxième candidat le plus léger pour la stabilisation du titane en phase bêta. Mais il a tendance à provoquer l’agglutination du titane bêta en grosses mouchetures, d’une taille pouvant atteindre quelques centimètres, ce qui entraîne des défauts structurels dans le métal final. C’est pourquoi la teneur en bêta-titane est étroitement contrôlée et maintenue en dessous de 2 % dans la plupart des alliages industriels.

L’équipe a toutefois réussi à éliminer ces inconvénients en mélangeant les alliages dans le cadre d’un processus d’impression 3D connu sous le nom de dépôt d’énergie dirigée par poudre métallique au laser, ce qui lui a permis d’accorder une attention particulière à la microstructure du matériau au fur et à mesure qu’il était déposé.

Microstructure à l’échelle atomique d’une interface interphase alpha-bêta d’un nouvel alliage imprimé en 3D. Presque tout l’oxygène se trouve dans les cristaux de la phase alpha, presque tout le fer se trouve dans les cristaux de la phase bêta.

Les chercheurs ont créé et imprimé une série d’alliages utilisant l’oxygène et le fer comme stabilisateurs et les ont testés de différentes manières. Ils ont constaté qu’ils étaient capables de rivaliser avec la résistance et la ductilité des alliages de titane commerciaux. Imprimés en 3D, ces nouveaux alliages sont créés dans les formes exactes requises, mais les propriétés du métal peuvent également être adaptées à ce que vous fabriquez, d’où le surnom d’alliages de titane « design ».

« Cette recherche permet d’obtenir un nouveau système d’alliage de titane capable d’une gamme étendue et ajustable de propriétés mécaniques, d’une grande facilité de fabrication, d’un énorme potentiel de réduction des émissions et d’un aperçu de la conception des matériaux dans des systèmes similaires », a déclaré dans un communiqué de presse le professeur Simon Ringer, co-chercheur principal et pro-vice-chancelier de l’université de Sydney.

« La distribution unique des atomes d’oxygène et de fer à l’intérieur des phases alpha-titane et bêta-titane et entre elles constitue l’élément déterminant », explique-t-il. « Nous avons créé un gradient nanométrique d’oxygène dans la phase alpha-titane, avec des segments à forte teneur en oxygène qui sont solides et des segments à faible teneur en oxygène qui sont ductiles, ce qui nous permet d’exercer un contrôle sur la liaison atomique locale et d’atténuer ainsi le potentiel de fragilisation.

La fragilisation par l’oxygène n’est pas seulement un problème pour le titane, c’est aussi un facteur clé qui empêche son utilisation dans le zirconium, le niobium, le molybdène et d’autres métaux. Les chercheurs pensent que le même processus pourrait être possible avec ces autres métaux, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires.

En plus de limiter l’utilisation de métaux coûteux, cette technique pourrait également réduire le coût des alliages de titane en utilisant des déchets industriels recyclés et des matériaux qui sont actuellement considérés comme de faible qualité.

L’auteur principal, le Dr Tingting Song, titulaire d’une bourse de recherche du vice-chancelier du RMIT, a déclaré que l’équipe se trouvait « au début d’un grand voyage, depuis la démonstration de nos nouveaux concepts jusqu’aux applications industrielles ». Il y a des raisons d’être enthousiaste – l’impression 3D offre une manière fondamentalement différente de fabriquer de nouveaux alliages et présente des avantages distincts par rapport aux approches traditionnelles. L’industrie a la possibilité de réutiliser les déchets d’alliage éponges de titane-oxygène-fer, les poudres de titane à haute teneur en oxygène recyclées ‘hors normes’ ou les poudres de titane fabriquées à partir de débris de titane à haute teneur en oxygène en utilisant notre approche ».

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2023/jun/3d-printed-titanium-alloys