3D打印技術造出新型鈦合金

包括澳大利亞皇家墨爾本理工大學、悉尼大學在內的國際研究團隊將合金和3D打印工藝結合在一起，創造出了一種新的鈦合金，這種合金在拉伸下堅固而不脆。這項發表在最新一期《自然》雜志上的突破，為在航空航天、生物醫學、化學工程、空間和能源技術中應用的新一類更可持續的高性能鈦合金的研制帶來了希望。

新鈦合金由兩種鈦晶體的混合物組成，稱為α－鈦相和β－鈦相，每種鈦晶體對應于特定的原子排列。氧氣和鐵是α－鈦相和β－鈦相的兩種最強大的穩定劑和強化劑，它們豐富而廉價。

但研究人員發現，有兩個挑戰阻礙了通過傳統制造工藝開發堅韌的α－β鈦氧鐵合金。一個挑戰是氧氣會使鈦變脆；另一個挑戰是加入鐵可能會導致嚴重的冶金缺陷，形成大塊β鈦。

該團隊使用了激光定向能沉積從金屬粉末打印出他們的合金，這是一種適用于制造大型復雜零件的3D打印工藝。他們將合金設計理念與3D打印工藝設計結合，確定了一系列堅固、延展性好、易于打印的合金。

關鍵的推動因素是氧和鐵原子在α－鈦相和β－鈦相內部和二者之間的獨特分布。研究人員在α－鈦相中設計了一種納米級的氧梯度，具有堅固的高氧段和延展性的低氧段，從而能夠對局部原子鍵施加控制，降低了潛在脆化的可能性。

該團隊表示，這些新合金的誘人性能可與商業合金相媲美。

悉尼大學副校長西蒙·林格教授表示，這項研究提供了一種新的鈦合金系統，該系統具有廣泛且可調的機械性能、高可制造性、巨大的減排潛力，也為同類系統材料設計提供了見解。

研究人員表示，該團隊在設計中融入了循環經濟的思想，為利用工業廢物和低品位材料生產新的鈦合金創造了希望。此外，氧脆化不僅對鈦，而且對其他重要金屬，如鋯、鈮、鉬及其合金，都是一個重大的冶金挑戰。新研究可能會提供一個模板，即通過3D打印和微結構設計來緩解這些氧脆化問題。