《Nature》3D打印技術(shù)造出新型鈦合金

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

包括澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)、悉尼大學(xué)在內(nèi)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)將合金和3D打印工藝結(jié)合在一起，創(chuàng)造出了一種新的鈦合金，這種合金在拉伸下堅(jiān)固而不脆。這項(xiàng)發(fā)表在最新一期《自然》雜志上的突破，為在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工程、空間和能源技術(shù)中應(yīng)用的新一類更可持續(xù)的高性能鈦合金的研制帶來(lái)了希望。

新鈦合金由兩種鈦晶體的混合物組成，稱為α－鈦相和β－鈦相，每種鈦晶體對(duì)應(yīng)于特定的原子排列。氧氣和鐵是α－鈦相和β－鈦相的兩種最強(qiáng)大的穩(wěn)定劑和強(qiáng)化劑，它們豐富而廉價(jià)。

但研究人員發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)挑戰(zhàn)阻礙了通過(guò)傳統(tǒng)制造工藝開(kāi)發(fā)堅(jiān)韌的α－β鈦氧鐵合金。一個(gè)挑戰(zhàn)是氧氣會(huì)使鈦?zhàn)兇?；另一個(gè)挑戰(zhàn)是加入鐵可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的冶金缺陷，形成大塊β鈦。

該團(tuán)隊(duì)使用了激光定向能沉積從金屬粉末打印出他們的合金，這是一種適用于制造大型復(fù)雜零件的3D打印工藝。他們將合金設(shè)計(jì)理念與3D打印工藝設(shè)計(jì)結(jié)合，確定了一系列堅(jiān)固、延展性好、易于打印的合金。

關(guān)鍵的推動(dòng)因素是氧和鐵原子在α－鈦相和β－鈦相內(nèi)部和二者之間的獨(dú)特分布。研究人員在α－鈦相中設(shè)計(jì)了一種納米級(jí)的氧梯度，具有堅(jiān)固的高氧段和延展性的低氧段，從而能夠?qū)植吭渔I施加控制，降低了潛在脆化的可能性。

該團(tuán)隊(duì)表示，這些新合金的誘人性能可與商業(yè)合金相媲美。

悉尼大學(xué)副校長(zhǎng)西蒙·林格教授表示，這項(xiàng)研究提供了一種新的鈦合金系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有廣泛且可調(diào)的機(jī)械性能、高可制造性、巨大的減排潛力，也為同類系統(tǒng)材料設(shè)計(jì)提供了見(jiàn)解。

研究人員表示，該團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中融入了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想，為利用工業(yè)廢物和低品位材料生產(chǎn)新的鈦合金創(chuàng)造了希望。此外，氧脆化不僅對(duì)鈦，而且對(duì)其他重要金屬，如鋯、鈮、鉬及其合金，都是一個(gè)重大的冶金挑戰(zhàn)。新研究可能會(huì)提供一個(gè)模板，即通過(guò)3D打印和微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)緩解這些氧脆化問(wèn)題。


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-01360-y