3D打印鈦合金的創新設計與卓越的性能
時間：2021-10-28 08:50 來源：張天龍博士 作者：admin 閱讀：次
香港城市大學(City University of Hong
Kong)的科學家領導的一項研究，利用增材制造(通常被稱為3D打印)，成功開發了一種超強、高延展性、超輕的鈦基合金。他們的發現為設計具有前所未有的結構和性能的合金開辟了一條新途徑，用于各種結構應用。
研究小組由香港理工大學工程學院特聘教授、香港城市大學香港高級研究院高級研究員劉家俊教授率領。實驗由材料科學與工程系博士后張天龍博士完成。他們的論文最近發表在著名的科學雜志《科學》上，論文題目為“通過增材制造實現濃度調節的先進鈦合金的原位設計”，城市大學校長Way Kuo也參與了其中。
3D打印:不僅僅是一種成型技術
大多數人認為3D打印是一項革命性的技術，可以在一個步驟內生產出形狀復雜的機器部件。“然而，我們揭示了它在設計材料方面的重要潛力，而不是簡單地設計幾何圖形，”張博士說。今年早些時候，他在劉教授的指導下完成了他在城市大學的博士學位。
冶金學家傾向于認為合金成分缺乏均勻性是不可取的，因為這會導致不良的性能，如脆性。在增材制造過程中，如何消除快速冷卻過程中的不均勻性是關鍵問題之一。但張博士之前的建模和仿真研究發現，在構件中存在一定程度的非均勻性，實際上可以產生獨特的非均勻微觀組織，從而提高合金的性能。因此，他嘗試用增材制造技術將這些仿真結果轉化為現實。
“增材制造的獨特特性為我們設計微結構提供了更大的自由，”張博士解釋道，他也是這篇論文的第一作者。“具體來說，我們已經開發了一種部分均質方法，借助3D打印技術生產微米級濃度梯度的合金，這是任何傳統材料制造方法都無法實現的。”
他們提出的方法包括使用聚焦激光束熔化和混合兩種不同的合金粉末和不銹鋼粉末。通過在3D打印過程中控制激光功率和掃描速度等參數，該團隊成功地以可控的方式創造了新合金中元素的不均勻成分。劉教授說:“除了使用增材制造，兩種粉末混合物的組成是在新合金中創造前所未有的高亞穩態熔巖狀微觀結構的另一個關鍵。”“這些獨特的微觀組織帶來了最高的力學性能，使合金具有非常強的韌性，并且重量輕。”
新型合金:輕40%，超強強度
一般來說，不銹鋼的重量為每立方厘米7.9克，而新合金的重量僅為每立方厘米4.5克，重量輕了約40%。在他們的實驗中，具有熔巖狀組織的鈦合金表現出~1.3 gigapascal的高拉伸強度，均勻延伸率約為9%。它還具有超過300兆帕斯卡的優良加工硬化能力，確保了在斷裂前的巨大安全裕度，在結構應用中非常有用。
劉教授說:“這些優異的性能在各種情況下都有很好的結構應用前景，例如航空航天、汽車、化工和醫療行業。”他補充說:“作為第一個使用3D打印技術開發具有獨特微觀結構和性能的新合金的團隊，我們將進一步將這一設計理念應用于不同的合金系統，進一步探索新合金的其他性能。”
研究小組由香港理工大學工程學院特聘教授、香港城市大學香港高級研究院高級研究員劉家俊教授率領。實驗由材料科學與工程系博士后張天龍博士完成。他們的論文最近發表在著名的科學雜志《科學》上，論文題目為“通過增材制造實現濃度調節的先進鈦合金的原位設計”，城市大學校長Way Kuo也參與了其中。
△香港城市大學利用3D打印技術開發的新型鈦合金具有類似熔巖的微觀結構，使其具有優異的力學性能。資料來源:香港城市大學
3D打印:不僅僅是一種成型技術
大多數人認為3D打印是一項革命性的技術，可以在一個步驟內生產出形狀復雜的機器部件。“然而，我們揭示了它在設計材料方面的重要潛力，而不是簡單地設計幾何圖形，”張博士說。今年早些時候，他在劉教授的指導下完成了他在城市大學的博士學位。
冶金學家傾向于認為合金成分缺乏均勻性是不可取的，因為這會導致不良的性能，如脆性。在增材制造過程中，如何消除快速冷卻過程中的不均勻性是關鍵問題之一。但張博士之前的建模和仿真研究發現，在構件中存在一定程度的非均勻性，實際上可以產生獨特的非均勻微觀組織，從而提高合金的性能。因此，他嘗試用增材制造技術將這些仿真結果轉化為現實。
△由香港城市大學研究小組開發的3d打印鈦合金的晶粒方向圖。作者:張天龍博士
設計獨特的微觀結構“增材制造的獨特特性為我們設計微結構提供了更大的自由，”張博士解釋道，他也是這篇論文的第一作者。“具體來說，我們已經開發了一種部分均質方法，借助3D打印技術生產微米級濃度梯度的合金，這是任何傳統材料制造方法都無法實現的。”
他們提出的方法包括使用聚焦激光束熔化和混合兩種不同的合金粉末和不銹鋼粉末。通過在3D打印過程中控制激光功率和掃描速度等參數，該團隊成功地以可控的方式創造了新合金中元素的不均勻成分。劉教授說:“除了使用增材制造，兩種粉末混合物的組成是在新合金中創造前所未有的高亞穩態熔巖狀微觀結構的另一個關鍵。”“這些獨特的微觀組織帶來了最高的力學性能，使合金具有非常強的韌性，并且重量輕。”
△實驗結果表明，該新型鈦合金具有優良的力學性能。作者:張天龍博士
△由香港城市大學領導的研究小組開發的3d打印鈦合金中的熔巖狀微觀結構。作者:張天龍博士
新型合金:輕40%，超強強度
一般來說，不銹鋼的重量為每立方厘米7.9克，而新合金的重量僅為每立方厘米4.5克，重量輕了約40%。在他們的實驗中，具有熔巖狀組織的鈦合金表現出~1.3 gigapascal的高拉伸強度，均勻延伸率約為9%。它還具有超過300兆帕斯卡的優良加工硬化能力，確保了在斷裂前的巨大安全裕度，在結構應用中非常有用。
劉教授說:“這些優異的性能在各種情況下都有很好的結構應用前景，例如航空航天、汽車、化工和醫療行業。”他補充說:“作為第一個使用3D打印技術開發具有獨特微觀結構和性能的新合金的團隊，我們將進一步將這一設計理念應用于不同的合金系統，進一步探索新合金的其他性能。”
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