香港城市大學(xué)利用3D打印技術(shù)開發(fā)的新型鈦合金具有熔巖般的微觀結(jié)構(gòu)，這種不均勻的微觀結(jié)構(gòu)反而讓合金具備優(yōu)異的機械性能。

研究突破

香港城市大學(xué)(City University of Hong Kong,CityU)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項研究成功地利用增材制造(通常稱為3D打印)開發(fā)了一種超強、高延展性和超輕的鈦基合金。他們的發(fā)現(xiàn)為應(yīng)用具有獨特結(jié)構(gòu)和性能的合金開辟了新的途徑、提供了更多可能。

利用3D打印技術(shù)開發(fā)的新型鈦合金具有熔巖般的微觀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的機械性能

研究小組由工程學(xué)院大學(xué)特聘教授、香港城市大學(xué)香港高級研究院高級研究員劉錦川（Liu Chain-Tsuan）教授帶領(lǐng)，材料科學(xué)與工程系博士后Zhang Tianlong進(jìn)行了實驗。他們的相關(guān)研究論文最近發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《Science》上。

3D打印:不只是一種成型技術(shù)

今年早些時候，在劉教授的指導(dǎo)下，Zhang Tianlong博士完成了他在城市大學(xué)的學(xué)業(yè)，他解釋道：“大多數(shù)人認(rèn)為3D打印是一項革命性的技術(shù)，只需一步就能生產(chǎn)出復(fù)雜形狀的機器零件。然而我們的研究具有獨特的意義和價值——我們揭示了它在設(shè)計材料方面的重要潛力，而不僅僅是設(shè)計幾何圖形。”

“冶金學(xué)家傾向于認(rèn)為合金成分缺乏均勻性是不可取的，因為這會導(dǎo)致性能缺陷，如脆性。增材制造過程中的關(guān)鍵問題之一是如何在快速冷卻過程中消除這種不均勻性。但我之前的建模和模擬研究發(fā)現(xiàn)，部件中一定程度的不均勻性實際上會產(chǎn)生獨特且不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，從而增強合金的性能。”

香港城市大學(xué)研究團隊開發(fā)的3D打印鈦合金的晶粒取向圖。來源：Zhang Tianlong

設(shè)計獨特的微結(jié)構(gòu)

“增材制造的獨特特性為我們設(shè)計微結(jié)構(gòu)提供了更大的自由度。具體來說，我們開發(fā)了一種部分均勻化方法，借助3D打印技術(shù)生產(chǎn)具有微米級濃度梯度的合金，這是任何傳統(tǒng)材料制造方法都無法實現(xiàn)的。”

他們提出的方法包括使用聚焦激光束熔化和混合兩種不同的合金粉末和不銹鋼粉末。通過在3D打印過程中控制激光功率及其掃描速度等參數(shù)，該團隊成功地以可控的方式在新合金中產(chǎn)生了元素的不均勻成分。 

劉教授說：“除了應(yīng)用增材制造之外，兩種粉末混合物的成分是在新合金中創(chuàng)造前所未有的高亞穩(wěn)態(tài)熔巖狀微結(jié)構(gòu)的另一個關(guān)鍵。這些獨特的微觀結(jié)構(gòu)帶來了極高的機械性能，使合金重量極輕、非常堅固并具有延展性。

香港城市大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)的3D打印鈦合金中的熔巖狀微結(jié)構(gòu)

新型合金—重量輕40%，性能超強

實驗結(jié)果表明，新型鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能

不銹鋼通常為每立方厘米7.9克，但新合金僅為每立方厘米4.5克，重量輕了約40%。在該實驗中，具有熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)的鈦合金表現(xiàn)出約1.3gigapascals（GPa）的高抗拉強度和約9%的均勻伸長率。它還具有超過300MPa（1Gpa=1000Mpa，1Mpa=1000000pa）的優(yōu)異加工硬化能力，這保證了斷裂前的大安全裕度，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中非常有用。

劉教授說：“這些優(yōu)異的性能有望用于各種場景中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，例如航空航天、汽車、化工和醫(yī)療等行業(yè)。作為首個使用3D打印開發(fā)具有獨特微觀結(jié)構(gòu)和性能的新型合金的團隊，我們將進(jìn)一步將這一設(shè)計理念應(yīng)用于不同的合金體系，進(jìn)一步探索新型合金的其他性能。”

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