3D打印鈦合金的創(chuàng)新設(shè)計與卓越的性能

作者：張?zhí)忑埐┦?br />
香港城市大學(xué)(City University of Hong Kong)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，利用增材制造(通常被稱為3D打印)，成功開發(fā)了一種超強(qiáng)、高延展性、超輕的鈦基合金。他們的發(fā)現(xiàn)為設(shè)計具有前所未有的結(jié)構(gòu)和性能的合金開辟了一條新途徑，用于各種結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

研究小組由香港理工大學(xué)工程學(xué)院特聘教授、香港城市大學(xué)香港高級研究院高級研究員劉家俊教授率領(lǐng)。實(shí)驗(yàn)由材料科學(xué)與工程系博士后張?zhí)忑埐┦客瓿?。他們的論文最近發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《科學(xué)》上，論文題目為“通過增材制造實(shí)現(xiàn)濃度調(diào)節(jié)的先進(jìn)鈦合金的原位設(shè)計”，城市大學(xué)校長Way Kuo也參與了其中。

△香港城市大學(xué)利用3D打印技術(shù)開發(fā)的新型鈦合金具有類似熔巖的微觀結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。資料來源:香港城市大學(xué)

3D打印:不僅僅是一種成型技術(shù)
大多數(shù)人認(rèn)為3D打印是一項革命性的技術(shù)，可以在一個步驟內(nèi)生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的機(jī)器部件?！叭欢?，我們揭示了它在設(shè)計材料方面的重要潛力，而不是簡單地設(shè)計幾何圖形，”張博士說。今年早些時候，他在劉教授的指導(dǎo)下完成了他在城市大學(xué)的博士學(xué)位。

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?yàn)檫@會導(dǎo)致不良的性能，如脆性。在增材制造過程中，如何消除快速冷卻過程中的不均勻性是關(guān)鍵問題之一。但張博士之前的建模和仿真研究發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)件中存在一定程度的非均勻性，實(shí)際上可以產(chǎn)生獨(dú)特的非均勻微觀組織，從而提高合金的性能。因此，他嘗試用增材制造技術(shù)將這些仿真結(jié)果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。

△由香港城市大學(xué)研究小組開發(fā)的3d打印鈦合金的晶粒方向圖。作者:張?zhí)忑埐┦?/div>設(shè)計獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)
“增材制造的獨(dú)特特性為我們設(shè)計微結(jié)構(gòu)提供了更大的自由，”張博士解釋道，他也是這篇論文的第一作者。“具體來說，我們已經(jīng)開發(fā)了一種部分均質(zhì)方法，借助3D打印技術(shù)生產(chǎn)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(shí)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和掃描速度等參數(shù)，該團(tuán)隊成功地以可控的方式創(chuàng)造了新合金中元素的不均勻成分。

劉教授說:“除了使用增材制造，兩種粉末混合物的組成是在新合金中創(chuàng)造前所未有的高亞穩(wěn)態(tài)熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)的另一個關(guān)鍵?！薄斑@些獨(dú)特的微觀組織帶來了最高的力學(xué)性能，使合金具有非常強(qiáng)的韌性，并且重量輕?！?br />

△實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型鈦合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能。作者:張?zhí)忑埐┦?/div>

△由香港城市大學(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觀結(jié)構(gòu)。作者:張?zhí)忑埐┦?/div>
新型合金:輕40%，超強(qiáng)強(qiáng)度
一般來說，不銹鋼的重量為每立方厘米7.9克，而新合金的重量僅為每立方厘米4.5克，重量輕了約40%。在他們的實(shí)驗(yàn)中，具有熔巖狀組織的鈦合金表現(xiàn)出~1.3 gigapascal的高拉伸強(qiáng)度，均勻延伸率約為9%。它還具有超過300兆帕斯卡的優(yōu)良加工硬化能力，確保了在斷裂前的巨大安全裕度，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中非常有用。

劉教授說:“這些優(yōu)異的性能在各種情況下都有很好的結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景，例如航空航天、汽車、化工和醫(yī)療行業(yè)?！?br />
他補(bǔ)充說:“作為第一個使用3D打印技術(shù)開發(fā)具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)和性能的新合金的團(tuán)隊，我們將進(jìn)一步將這一設(shè)計理念應(yīng)用于不同的合金系統(tǒng)，進(jìn)一步探索新合金的其他性能。”