堅固而不脆，研究人員使用3D打印技術(shù)造出新型鈦合金

來源：科技日報

2023年6月1日，南極熊獲悉，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)、悉尼大學(xué)在內(nèi)的國際研究團(tuán)隊將合金和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固而不脆。這項發(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。

△宋婷婷（音譯）博士和馬倩（音譯）特聘教授（從左到右）與團(tuán)隊使用激光3D打印機(jī)制作的鈦合金。圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

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

該團(tuán)隊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)計理念與3D打印工藝設(shè)計結(jié)合，確定了一系列堅固、延展性好、易于打印的合金。

關(guān)鍵的推動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)計了一種納米級的氧梯度，具有堅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)副校長西蒙·林格教授表示，這項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)計提供了見解。

研究人員表示，該團(tuán)隊在設(shè)計中融入了循環(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，氧脆化不僅對鈦，而且對其他重要金屬，如鋯、鈮、鉬及其合金，都是一個重大的冶金挑戰(zhàn)。新研究可能會提供一個模板，即通過3D打印和微結(jié)構(gòu)設(shè)計來緩解這些氧脆化問題。