香港理工大学《Nature》：利用3D打印开发新型高性能钛合金

2023年8月31日，南极熊获悉，香港理工大学（以下简称理大）科学家与皇家墨尔本理工大学和悉尼大学合作，成功利用3D打印解决了钛合金生产中长期存在的质量和废物管理等问题。

这项研究以题为“Strong and ductiletitanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing/通过增材制造实现强韧性钛氧铁合金”的论文发表在《自然》杂志上。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

钛合金是先进的轻质材料，在许多关键应用中发挥着不可或缺的作用。研究团队发现，创新地使用增材制造来生产钛合金和其他潜在的金属材料具有许多优势，例如降低成本、提高性能和可持续废物管理。

通过使用3D打印，研究团队生产出了一种新型的坚固、延展性和可持续的钛合金（α-β Ti-O-Fe合金）。这些性能是通过加入廉价且丰富的氧和铁来实现的，它们是α-β 相钛合金的两种最强大的稳定元素和强化剂。新型钛合金在多种应用中展现出巨大的潜力——从航空航天和海洋工程到消费电子产品和生物医学设备。

△陈子斌博士

与自1954年制定以来广泛使用的Ti-6AI-4V基准材料相比，研究团队生产的新型钛合金表现出更好的机械性能，具有可比的延展性和显着更高的强度。

尽管铸造等传统制造方法也可用于生产新型钛合金，但所得材料的较差性能可能使其不适合实际工程。增材制造有效克服了传统方法改善合金性能的局限性。

通常用于生产钛合金的能源密集型克罗尔（Kroll）工艺会产生不合格的海绵钛，约占所有海绵钛的 10%，从而导致大量浪费并增加生产成本。增材制造通过回收不合格的海绵钛，将废物转化为粉末以用作原材料，有效地解决了这个问题。

理大工业及系统工程系助理教授、2022年青年创新研究员奖得主陈子斌博士表示，以及该研究的主要作者：“我们的工作可以促进金属合金生产行业产生的 10% 以上废物的回收利用。这可以显著降低工业的材料和能源成本，有助于环境可持续发展和减少碳足迹。”

△KeithKC Chan教授（右）和陈子斌博士（左）

该研究整合了合金设计、计算模拟和实验表征，以探索新型钛α-β Ti-O-Fe 合金的增材制造工艺-微观结构-性能空间。

该研究强调，增材制造可以一步生产复杂且功能性的金属零件，从而加速产品开发并降低成本。此外，它还可用于制造具有独特结构和成分的金属零件，这是传统方法无法实现的。

在质量改进方面，增材制造可以调整金属合金的微观结构，从而提高强度、灵活性以及耐腐蚀性和防水性。此外，还可以制造具有复杂内部结构的轻质且坚固的金属零件。这项研究突破为 3D 打印推动的整体和可持续材料设计策略开辟了可能性。

该项研究的合著者之一、香港理工大学工业及系统工程系主席陈家聪教授表示：“这项工作可以作为其他金属合金使用3D打印来增强其性能并扩大其适用性的模型或基准。金属3D打印是一个新兴领域，在材料制造中广泛采用还需要一段时间。”