研究人員利用激光定向能量沉積3D打印開發(fā)新型可持續(xù)鈦合金

2023年7月11日，南極熊獲悉，皇家墨爾本理工大學和悉尼大學的研究人員，與香港理工大學和瑞典軟件開發(fā)商Hexagon的制造智能部門合作，成功開發(fā)出一種新型的鈦合金材料。這一研究成果為鈦合金在多個領域的應用打開了新的可能性，并為實現(xiàn)更可持續(xù)的制造方法提供了有益的啟示。

△激光定向能量沉積3D打印的鈦合金微觀結構示意

新型3D打印鈦合金有什么作用？

這種鈦合金具有堅固、延展、可調和可持續(xù)的特性。傳統(tǒng)制造鈦合金的成本很高，而這項研究為新型的高性能鈦合金提供了潛力，可在航空航天、生物醫(yī)學、化學工程、太空和能源等領域應用。

該研究團隊采用了合金和3D打印工藝設計相結合的方法，利用激光定向能量沉積（L-DED）技術從金屬粉末中3D打印出這種新型鈦合金。這種創(chuàng)新的制造過程使得鈦合金的生產更加可持續(xù)和經濟實惠。

△Tingting Song（左）和Ma Qian（右）

皇家墨爾本理工大學的首席研究員Ma Qian教授表示，他們將循環(huán)經濟的理念融入到設計中。這種新型合金可以使用廢品和低級材料進行生產，無需昂貴的添加劑如釩和鋁，而是采用廉價且豐富的氧氣和鐵。

Qian教授解釋說："廢物和低質量材料的再利用，有可能增加經濟價值并減少鈦行業(yè)的高碳足跡。"

該研究的主要作者是皇家墨爾本理工大學的博士Tingting Song。她表示，該團隊正處于一個重要的階段，從驗證他們的新概念到實現(xiàn)工業(yè)應用。

Song補充道："我們有理由感到興奮，3D打印提供了一種完全不同的制造新型合金的方法，并且與傳統(tǒng)方法相比具有明顯的優(yōu)勢。工業(yè)界有一個潛在的機會，可以利用我們的方法重新利用廢棄海綿鈦氧鐵合金、“不合格”的回收高氧鈦粉或由高氧廢鈦制成的鈦粉。"

△該研究論文已發(fā)表在《自然》雜志上，研究題目為“通過3D打印制造實現(xiàn)強韌性鈦氧鐵合金”（傳送門）

開發(fā)新合金過程中遇到的挑戰(zhàn)

該團隊的合金由兩種形式的鈦晶體組成，即α-鈦相和β-鈦相的混合物，被稱為Ti-6Al-4V。每種形式對應著特定的原子排列。

Ti-6Al-4V是最常見的鈦合金，在傳統(tǒng)生產方法中使用6%的鋁和4%的釩，占據了鈦合金市場超過50%的份額。而這項新研究則使用氧和鐵代替了鋁和釩。除了易獲取和成本較低外，這些元素還是α-鈦相和β-鈦相的兩種最有效的穩(wěn)定劑和強化劑。

傳統(tǒng)上，含有高含量的鈦和氧的鈦合金面臨著發(fā)展和采用上的挑戰(zhàn)。

Qian評論道：“一個挑戰(zhàn)是氧，通俗地描述為‘鈦的氪石’，會導致鈦變脆；另一個挑戰(zhàn)是添加鐵可能導致大片β-鈦相形態(tài)的嚴重缺陷。”

△該團隊通過激光定向能量沉積（L-DED）技術，成功在新型合金的α-β相界面上實現(xiàn)了原子級微觀結構的3D打印

采用L-DED 3D打印技術使研究人員成功克服挑戰(zhàn)

L-DED 3D打印通常用于制造大型復雜零件，它使得科學家們能夠調整合金的機械性能。他們成功地在合金中創(chuàng)建了納米級的鈦晶體，并精確控制了氧和鐵原子的分布。這使得合金的某些區(qū)域非常堅固，而其他區(qū)域具有延展性，確保材料在受力時不會變脆。

該團隊使用了Hexagon的Simufact Welding軟件中的DED模塊，以3D打印和測試了一系列這樣的構件。經過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)他們的合金在延展性和強度上可以與其他商業(yè)鈦合金媲美。

悉尼大學的聯(lián)合首席研究員Simon Ringer教授解釋說：“關鍵的推動因素是氧和鐵原子在α-鈦相和β-鈦相之間以及內部的獨特分布。我們在α-鈦相中設計了納米級的氧梯度，包括堅固的高氧區(qū)域和具有延展性的低氧區(qū)域，這使我們能夠控制局部原子鍵合，從而減輕脆性問題。”