香港理工大學(xué)《Nature》：利用3D打印開發(fā)新型高性能鈦合金

2023年8月31日，南極熊獲悉，香港理工大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱理大）科學(xué)家與皇家墨爾本理工大學(xué)和悉尼大學(xué)合作，成功利用3D打印解決了鈦合金生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的質(zhì)量和廢物管理等問題。

這項(xiàng)研究以題為“Strong and ductiletitanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing/通過增材制造實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性鈦氧鐵合金”的論文發(fā)表在《自然》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

鈦合金是先進(jìn)的輕質(zhì)材料，在許多關(guān)鍵應(yīng)用中發(fā)揮著不可或缺的作用。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新地使用增材制造來生產(chǎn)鈦合金和其他潛在的金屬材料具有許多優(yōu)勢(shì)，例如降低成本、提高性能和可持續(xù)廢物管理。

通過使用3D打印，研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出了一種新型的堅(jiān)固、延展性和可持續(xù)的鈦合金（α-β Ti-O-Fe合金）。這些性能是通過加入廉價(jià)且豐富的氧和鐵來實(shí)現(xiàn)的，它們是α-β 相鈦合金的兩種最強(qiáng)大的穩(wěn)定元素和強(qiáng)化劑。新型鈦合金在多種應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力——從航空航天和海洋工程到消費(fèi)電子產(chǎn)品和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

△陳子斌博士

與自1954年制定以來廣泛使用的Ti-6AI-4V基準(zhǔn)材料相比，研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的新型鈦合金表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能，具有可比的延展性和顯著更高的強(qiáng)度。

盡管鑄造等傳統(tǒng)制造方法也可用于生產(chǎn)新型鈦合金，但所得材料的較差性能可能使其不適合實(shí)際工程。增材制造有效克服了傳統(tǒng)方法改善合金性能的局限性。

通常用于生產(chǎn)鈦合金的能源密集型克羅爾（Kroll）工藝會(huì)產(chǎn)生不合格的海綿鈦，約占所有海綿鈦的 10%，從而導(dǎo)致大量浪費(fèi)并增加生產(chǎn)成本。增材制造通過回收不合格的海綿鈦，將廢物轉(zhuǎn)化為粉末以用作原材料，有效地解決了這個(gè)問題。

理大工業(yè)及系統(tǒng)工程系助理教授、2022年青年創(chuàng)新研究員獎(jiǎng)得主陳子斌博士表示，以及該研究的主要作者：“我們的工作可以促進(jìn)金屬合金生產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)生的 10% 以上廢物的回收利用。這可以顯著降低工業(yè)的材料和能源成本，有助于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和減少碳足跡。”

△KeithKC Chan教授（右）和陳子斌博士（左）

該研究整合了合金設(shè)計(jì)、計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)表征，以探索新型鈦α-β Ti-O-Fe 合金的增材制造工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能空間。

該研究強(qiáng)調(diào)，增材制造可以一步生產(chǎn)復(fù)雜且功能性的金屬零件，從而加速產(chǎn)品開發(fā)并降低成本。此外，它還可用于制造具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和成分的金屬零件，這是傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的。

在質(zhì)量改進(jìn)方面，增材制造可以調(diào)整金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高強(qiáng)度、靈活性以及耐腐蝕性和防水性。此外，還可以制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)且堅(jiān)固的金屬零件。這項(xiàng)研究突破為 3D 打印推動(dòng)的整體和可持續(xù)材料設(shè)計(jì)策略開辟了可能性。

該項(xiàng)研究的合著者之一、香港理工大學(xué)工業(yè)及系統(tǒng)工程系主席陳家聰教授表示：“這項(xiàng)工作可以作為其他金屬合金使用3D打印來增強(qiáng)其性能并擴(kuò)大其適用性的模型或基準(zhǔn)。金屬3D打印是一個(gè)新興領(lǐng)域，在材料制造中廣泛采用還需要一段時(shí)間。”