研究人员利用激光定向能量沉积3D打印开发新型可持续钛合金

2023年7月11日，南极熊获悉，皇家墨尔本理工大学和悉尼大学的研究人员，与香港理工大学和瑞典软件开发商Hexagon的制造智能部门合作，成功开发出一种新型的钛合金材料。这一研究成果为钛合金在多个领域的应用打开了新的可能性，并为实现更可持续的制造方法提供了有益的启示。

△激光定向能量沉积3D打印的钛合金微观结构示意

新型3D打印钛合金有什么作用？

这种钛合金具有坚固、延展、可调和可持续的特性。传统制造钛合金的成本很高，而这项研究为新型的高性能钛合金提供了潜力，可在航空航天、生物医学、化学工程、太空和能源等领域应用。

该研究团队采用了合金和3D打印工艺设计相结合的方法，利用激光定向能量沉积（L-DED）技术从金属粉末中3D打印出这种新型钛合金。这种创新的制造过程使得钛合金的生产更加可持续和经济实惠。

△Tingting Song（左）和Ma Qian（右）

皇家墨尔本理工大学的首席研究员Ma Qian教授表示，他们将循环经济的理念融入到设计中。这种新型合金可以使用废品和低级材料进行生产，无需昂贵的添加剂如钒和铝，而是采用廉价且丰富的氧气和铁。

Qian教授解释说："废物和低质量材料的再利用，有可能增加经济价值并减少钛行业的高碳足迹。"

该研究的主要作者是皇家墨尔本理工大学的博士Tingting Song。她表示，该团队正处于一个重要的阶段，从验证他们的新概念到实现工业应用。

Song补充道："我们有理由感到兴奋，3D打印提供了一种完全不同的制造新型合金的方法，并且与传统方法相比具有明显的优势。工业界有一个潜在的机会，可以利用我们的方法重新利用废弃海绵钛氧铁合金、“不合格”的回收高氧钛粉或由高氧废钛制成的钛粉。"

△该研究论文已发表在《自然》杂志上，研究题目为“通过3D打印制造实现强韧性钛氧铁合金”（传送门）

开发新合金过程中遇到的挑战

该团队的合金由两种形式的钛晶体组成，即α-钛相和β-钛相的混合物，被称为Ti-6Al-4V。每种形式对应着特定的原子排列。

Ti-6Al-4V是最常见的钛合金，在传统生产方法中使用6%的铝和4%的钒，占据了钛合金市场超过50%的份额。而这项新研究则使用氧和铁代替了铝和钒。除了易获取和成本较低外，这些元素还是α-钛相和β-钛相的两种最有效的稳定剂和强化剂。

传统上，含有高含量的钛和氧的钛合金面临着发展和采用上的挑战。

Qian评论道：“一个挑战是氧，通俗地描述为‘钛的氪石’，会导致钛变脆；另一个挑战是添加铁可能导致大片β-钛相形态的严重缺陷。”

△该团队通过激光定向能量沉积（L-DED）技术，成功在新型合金的α-β相界面上实现了原子级微观结构的3D打印

采用L-DED 3D打印技术使研究人员成功克服挑战

L-DED 3D打印通常用于制造大型复杂零件，它使得科学家们能够调整合金的机械性能。他们成功地在合金中创建了纳米级的钛晶体，并精确控制了氧和铁原子的分布。这使得合金的某些区域非常坚固，而其他区域具有延展性，确保材料在受力时不会变脆。

该团队使用了Hexagon的Simufact Welding软件中的DED模块，以3D打印和测试了一系列这样的构件。经过测试，研究人员发现他们的合金在延展性和强度上可以与其他商业钛合金媲美。

悉尼大学的联合首席研究员Simon Ringer教授解释说：“关键的推动因素是氧和铁原子在α-钛相和β-钛相之间以及内部的独特分布。我们在α-钛相中设计了纳米级的氧梯度，包括坚固的高氧区域和具有延展性的低氧区域，这使我们能够控制局部原子键合，从而减轻脆性问题。”