港城大团队3D打印“熔岩”状新型钛合金——更轻、更强

来源：admin 日期：2021-10-27 16:55:18

江苏激光联盟导读：

香港城市大学利用3D打印技术开发的新型钛合金具有熔岩般的微观结构，这种不均匀的微观结构反而让合金具备优异的机械性能。

研究突破

香港城市大学(City University of Hong Kong,CityU)的科学家领导的一项研究成功地利用增材制造(通常称为3D打印)开发了一种超强、高延展性和超轻的钛基合金。他们的发现为应用具有独特结构和性能的合金开辟了新的途径、提供了更多可能。

利用3D打印技术开发的新型钛合金具有熔岩般的微观结构，该结构使其具有优异的机械性能

研究小组由工程学院大学特聘教授、香港城市大学香港高级研究院高级研究员刘锦川（Liu Chain-Tsuan）教授带领，材料科学与工程系博士后Zhang Tianlong进行了实验。他们的相关研究论文最近发表在著名的科学杂志《Science》上。

3D打印:不只是一种成型技术

今年早些时候，在刘教授的指导下，Zhang Tianlong博士完成了他在城市大学的学业，他解释道：“大多数人认为3D打印是一项革命性的技术，只需一步就能生产出复杂形状的机器零件。然而我们的研究具有独特的意义和价值——我们揭示了它在设计材料方面的重要潜力，而不仅仅是设计几何图形。”

“冶金学家倾向于认为合金成分缺乏均匀性是不可取的，因为这会导致性能缺陷，如脆性。增材制造过程中的关键问题之一是如何在快速冷却过程中消除这种不均匀性。但我之前的建模和模拟研究发现，部件中一定程度的不均匀性实际上会产生独特且不均匀的微观结构，从而增强合金的性能。”

香港城市大学研究团队开发的3D打印钛合金的晶粒取向图。来源：Zhang Tianlong

设计独特的微结构

“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度。具体来说，我们开发了一种部分均匀化方法，借助3D打印技术生产具有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及其扫描速度等参数，该团队成功地以可控的方式在新合金中产生了元素的不均匀成分。刘教授说：“除了应用增材制造之外，两种粉末混合物的成分是在新合金中创造前所未有的高亚稳态熔岩状微结构的另一个关键。这些独特的微观结构带来了极高的机械性能，使合金重量极轻、非常坚固并具有延展性。

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结构

新型合金—重量轻40%，性能超强

实验结果表明，新型钛合金具有优异的力学性能

不锈钢通常为每立方厘米7.9克，但新合金仅为每立方厘米4.5克，重量轻了约40%。在该实验中，具有熔岩状微观结构的钛合金表现出约1.3gigapascals（GPa）的高抗拉强度和约9%的均匀伸长率。它还具有超过300MPa（1Gpa=1000Mpa，1Mpa=1000000pa）的优异加工硬化能力，这保证了断裂前的大安全裕度，在结构应用中非常有用。

刘教授说：“这些优异的性能有望用于各种场景中的结构应用，例如航空航天、汽车、化工和医疗等行业。作为首个使用3D打印开发具有独特微观结构和性能的新型合金的团队，我们将进一步将这一设计理念应用于不同的合金体系，进一步探索新型合金的其他性能。”

来源：港城大官网

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