科學家3D打印出高強度高塑性鈦合金

       中國工程院外籍院士、香港城市大學教授劉錦川團隊創造性地提出了一種3D打印策略，通過調控熔池中不同粉末的混合程度，研發出一種高強度、高塑性的鈦合金。相關研究成果日前發表于《科學》。


       一般來說，金屬材料中的成分不均勻性往往被視為重大缺陷，是研究人員一直努力避免的—— 一方面，人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認識；另一方面，傳統方法通常無法有效調控材料內部的成分波動。

       通過早前的計算模擬研究，研究人員發現，一定程度上的成分不均勻性有助于制造出獨特的異構微觀結構，從而提升材料的力學性能。因此，他們認為材料的成分不均勻性可以被積極利用，并成為有效的合金設計方法。

       為調控合金內部的成分波動，研究人員采用了3D打印技術。這是一種單純的直接成型技術，但很少有人想到將其運用到合金設計中。在3D打印過程中，金屬粉末會發生快速的熔化和凝固。由于超快的冷卻速度，在熔池中產生的成分梯度得以成功保留。

       基于這種新思路，研究人員嘗試在3D打印過程中將兩種常見合金粉末（包括不銹鋼粉末）進行混合打印。通過精心選擇的粉末種類以及特殊的打印參數，他們實現了可調控的微米級成分梯度。

       劉錦川表示，這種微米級成分梯度不僅帶來了相穩定性以及微觀組織在空間上的調制，還提高了鈦合金的力學性能，使其成為目前3D打印鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一。

       劉錦川說，這是一種具有熔巖狀微觀組織的亞穩態鈦合金。“這種獨特的微觀結構給合金帶來了優異的力學性能和細小的晶粒結構，使合金在擁有超高強度的同時仍有極高的均勻變形能力，并保持鈦合金的低密度。”