以3D打印设计具独特微观组织和性能优异的钛合金

由香港城市大学（城大）科学家领导的一项研究，成功运用增材制造（additive manufacturing，即俗称的3D打印）研发出一种高强度、高延展性的新型钛合金。研究成果为合金设计另辟蹊径，令合金能具有前所未见的组织和性能，可以应用于先进结构材料。

该研究团队由城大工学院大学杰出教授兼香港高等研究院（HKIAS）资深院士刘锦川教授领导，来自城大材料科学及工程学系（MSE）的博士后张天隆博士负责进行实验。城大校长郭位教授亦有参与是次研究。该研究成果刚于权威学术期刊《科学》 （Science）上发表，题为〈In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing〉。

3D打印：不单是成型的技术

大多数人认为，3D打印纯粹是一种一步到位地制成形状复杂组件的成型技术。"不过，我们的研究发现，3D打印并非只能设计形状，在设计材料方面更可大有作为。"这篇论文的第一作者张博士说。他在刘教授指导下，于今年在城大完成了博士课程。

冶金学家一贯认为，在材料设计和制造过程中，应尽力避免合金中成分分布不均匀的情况，因为这往往会导致材料的脆性等的不良性能。因此在增材制造的过程中，人们关注的一个重点就是如何在快速冷却期间，杜绝合金成分的不均匀分布和偏析。不过，根据张博士之前的模型计算及模拟研究发现，一定程度的成分不均匀分布，反而更有助制造出独特和异质的微观组织，从而提升材料的性能。于是张博士尝试利用增材制造技术设计全新合金，将这些模拟结果实现出来。

设计独特的微观组织

张博士解释说："增材制造的独特特性，赋予我们更大自由度去设计微观组织。具体而言，透过3D打印技术，我们研究出一种部分均质化（partial homogenisation）的方法，以制造出具有微米尺度浓度梯度（concentration gra****nts）的合金，这是所有传统材料制造方式所做不到的。"由于在增材制造过程中，金属粉末会发生快速的熔化和凝固。超快的冷却速度，能够使在熔池中产生的成分梯度，得以成功地保留下来。

研究团队提出的方法，便是运用聚焦激光束，去熔化及混合两种不同的合金粉末，其为钛合金以及不锈钢粉末。通过精心调控3D打印过程中的激光功率、扫描速度等参数，团队成功在新研发合金中调控得到理想的合金元素的不均匀分布状态。

刘教授说："除了有赖于3D打印技术，两种粉末混合物的成分亦非常关键，这让我们创造出一种前所未见、具有熔岩状微观组织和高度亚稳态（metastability）的新型高性能合金。独特的微观组织衍生出优异的力学性能，令合金强度高之余，同时具有高延展性，而且重量轻巧。"

新型合金：重量轻40%而且强度高

一般不锈钢每立方厘米的重量是7.9克，该新型合金每立方厘米的重量则只有4.5克，足足轻了近40%。团队的实验结果显示，具熔岩状微观组织的钛合金展示出约1.3GPa的高拉伸强度，以及高达约9%的均匀延伸率，兼且有逾300MPa的优异加工硬化能力（work-hardening capacity）。优异加工硬化能力意味着材料断裂之前，有大范围的安全裕度边距，有利于结构性的应用。

刘教授说："这些优异的性能有望于不同场景的结构应用大派用场，例如航空航天、汽车、化学和医疗行业。"

他并补充说："作为首队运用3D打印而研发出具独特微观组织及性能的新合金的研究团队，我们会继续将这设计意念，实践于不同的合金系统，以进一步研究新合金的其他性能。"

刘教授、城大材料科学及工程学系的杨涛博士，以及来自俄亥俄州立大学的王云志教授是论文的通讯作者。除了城大校长郭位教授之外，同样来自城大的栾军华博士、王安定博士、江豪杰博士亦有参与研究。其他研究人员是来自广东省科学院的黄正华教授，以及西安交通大学的王栋博士。

是次研究获得城大、香港高等研究院、国家重点研发计划、中国国家自然科学基金、广东省科学院，以及美国国家科学基金会的资助而进行。

文章来源：香港城市大学