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微型3D打印打造“超强”钛合金

2021-10-26 17:22          增材制造3D打印激光束熔化

3D 打印钛合金的晶粒取向图(来源:张天龙博士 / DOI 编号:10.1126/science.abj3770)

一组研究人员使用微型 3D 打印制造了一种新的“超强、高延展性和超轻”钛基合金。

来自香港城市大学 (CityU) 的团队表示,这项研究可能会产生更多具有“前所未有”结构和性能的合金,适用于结构应用。

第一作者张天龙博士说,大多数人认为 3D 打印是一种只需一步即可生产复杂形状机器零件的技术。“然而,我们发现它在设计材料方面具有重要的潜力,而不仅仅是设计几何形状。”

冶金学家倾向于认为合金成分缺乏均匀性是不可取的,因为它会导致不良性能,例如脆性。增材制造的关键问题之一是如何消除 快速冷却过程中的这种不均匀性。天龙博士之前的建模和模拟发现,组件中一定程度的异质性可以产生独特且异质的微观结构,从而增强合金性能,因此他试图将这些发现变为现实。

“增材制造的独特功能为我们设计微观结构提供了更大的自由,”天龙博士说。

“具体来说,我们开发了一种部分均质化方法,可借助 3D 打印生产具有微米级浓度梯度的合金,这是任何传统材料制造方法都无法实现的。”

该方法包括使用聚焦激光束熔化和混合两种不同的合金粉末和不锈钢粉末。通过在 3D 打印过程中控制激光功率和扫描速度等参数,该团队成功地以可控方式创建了非均匀构图。

“除了使用增材制造外,两种粉末混合物的成分是在新合金中创造出前所未有的具有高亚稳定性的熔岩状微观结构的另一个关键,”研究负责人 Liu Chain-Tsuan 教授说。独特的微观结构产生了卓越的机械性能,使合金非常坚固,但具有延展性和重量轻。”

不锈钢的重量通常为 7.9g/cm 3,而新合金的重量仅为 4.5g/cm 3,重量大约减轻了 40%。在该团队的实验中,具有熔岩状微观结构的钛合金表现出约 1.3 吉帕斯卡的高抗拉强度,均匀伸长率约为 9%。它还具有超过 300 兆帕的出色加工硬化能力,这在断裂前提供了很大的安全裕度。

Chain-Tsuan 教授说:“这些优异的性能有望用于各种场景的结构应用,例如航空航天、汽车、化学和医疗行业。”

“作为第一个使用 3D 打印开发具有独特微观结构和性能的新合金的团队,我们将进一步将这种设计理念应用于不同的合金系统,进一步探索新合金的其他性能。”

该研究发表在《 科学》杂志上。

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