3D打印钛合金的创新设计与卓越的性能

作者：张天龙博士

香港城市大学(City University of Hong Kong)的科学家领导的一项研究，利用增材制造(通常被称为3D打印)，成功开发了一种超强、高延展性、超轻的钛基合金。他们的发现为设计具有前所未有的结构和性能的合金开辟了一条新途径，用于各种结构应用。

研究小组由香港理工大学工程学院特聘教授、香港城市大学香港高级研究院高级研究员刘家俊教授率领。实验由材料科学与工程系博士后张天龙博士完成。他们的论文最近发表在著名的科学杂志《科学》上，论文题目为“通过增材制造实现浓度调节的先进钛合金的原位设计”，城市大学校长Way Kuo也参与了其中。

△香港城市大学利用3D打印技术开发的新型钛合金具有类似熔岩的微观结构，使其具有优异的力学性能。资料来源:香港城市大学

3D打印:不仅仅是一种成型技术
大多数人认为3D打印是一项革命性的技术，可以在一个步骤内生产出形状复杂的机器部件。“然而，我们揭示了它在设计材料方面的重要潜力，而不是简单地设计几何图形，”张博士说。今年早些时候，他在刘教授的指导下完成了他在城市大学的博士学位。

冶金学家倾向于认为合金成分缺乏均匀性是不可取的，因为这会导致不良的性能，如脆性。在增材制造过程中，如何消除快速冷却过程中的不均匀性是关键问题之一。但张博士之前的建模和仿真研究发现，在构件中存在一定程度的非均匀性，实际上可以产生独特的非均匀微观组织，从而提高合金的性能。因此，他尝试用增材制造技术将这些仿真结果转化为现实。

△由香港城市大学研究小组开发的3d打印钛合金的晶粒方向图。作者:张天龙博士

设计独特的微观结构
“增材制造的独特特性为我们设计微结构提供了更大的自由，”张博士解释道，他也是这篇论文的第一作者。“具体来说，我们已经开发了一种部分均质方法，借助3D打印技术生产微米级浓度梯度的合金，这是任何传统材料制造方法都无法实现的。”

他们提出的方法包括使用聚焦激光束熔化和混合两种不同的合金粉末和不锈钢粉末。通过在3D打印过程中控制激光功率和扫描速度等参数，该团队成功地以可控的方式创造了新合金中元素的不均匀成分。

刘教授说:“除了使用增材制造，两种粉末混合物的组成是在新合金中创造前所未有的高亚稳态熔岩状微观结构的另一个关键。”“这些独特的微观组织带来了最高的力学性能，使合金具有非常强的韧性，并且重量轻。”

△实验结果表明，该新型钛合金具有优良的力学性能。作者:张天龙博士

△由香港城市大学领导的研究小组开发的3d打印钛合金中的熔岩状微观结构。作者:张天龙博士

新型合金:轻40%，超强强度
一般来说，不锈钢的重量为每立方厘米7.9克，而新合金的重量仅为每立方厘米4.5克，重量轻了约40%。在他们的实验中，具有熔岩状组织的钛合金表现出~1.3 gigapascal的高拉伸强度，均匀延伸率约为9%。它还具有超过300兆帕斯卡的优良加工硬化能力，确保了在断裂前的巨大安全裕度，在结构应用中非常有用。

刘教授说:“这些优异的性能在各种情况下都有很好的结构应用前景，例如航空航天、汽车、化工和医疗行业。”

他补充说:“作为第一个使用3D打印技术开发具有独特微观结构和性能的新合金的团队，我们将进一步将这一设计理念应用于不同的合金系统，进一步探索新合金的其他性能。”