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近日，中國工程院外籍院士、香港城市大學(xué)教授劉錦川團(tuán)隊成功運用增材制造技術(shù)研發(fā)出一種高強度、高塑性的鈦合金。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。

劉錦川表示，這是一種具有前所未見的熔巖狀微觀組織的亞穩(wěn)態(tài)鈦合金?！斑@種獨特的微觀結(jié)構(gòu)給合金帶來了優(yōu)異的力學(xué)性能和細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)，使合金在擁有超高強度的同時仍然有極高的均勻變形能力，并保持鈦合金的低密度。”

增材制造，也稱為3D打印，是現(xiàn)代制造業(yè)中的一項革命性技術(shù)。過去十年間金屬材料的增材制造技術(shù)取得了從快速原型制作、小規(guī)模生產(chǎn)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展。

3D打印往往被看做是一種單純的直接成型技術(shù)。然而很少有人會想到，3D打印過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設(shè)計中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢。

在此，來自香港城市大學(xué)的張?zhí)炻〔┦吭趪H著名材料科學(xué)家劉錦川院士的指導(dǎo)下，創(chuàng)造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度，設(shè)計出一種前所未見的微米級成分梯度結(jié)構(gòu)，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優(yōu)異的力學(xué)性能。

研究人員認(rèn)為，該研究開拓了增材制造技術(shù)的想象空間，使其可以被開發(fā)為一種全新的合金設(shè)計和制造方法，推動增材制造技術(shù)實現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計的夢想。

一般來說，金屬材料中的成分不均勻性往往被看做重大缺陷，是研究人員一直努力避免的。這是因為，一方面人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認(rèn)識，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)方法通常無法有效地調(diào)控材料內(nèi)部的成分波動。

通過早前的計算模擬研究，研究人員發(fā)現(xiàn)一定程度上的成分不均勻性有助于制造出獨特的異構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)，從而提升材料的力學(xué)性能。因此，他們認(rèn)為材料的成分不均勻性可以被積極利用，并成為有效的合金設(shè)計方法。

微米尺度成分梯度結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)。

獨特的微觀結(jié)構(gòu)

為了有效調(diào)控合金內(nèi)部的成分波動，研究人員采用了增材制造技術(shù)。因為在增材制造過程中，金屬粉末會發(fā)生快速的熔化和凝固。由于超快的冷卻速度，在熔池中產(chǎn)生的成分梯度得以成功保留。

基于這種新思路，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（包括不銹鋼粉末）進(jìn)行混合打印。通過精心選擇的粉末種類，以及特殊的打印參數(shù)，他們成功實現(xiàn)了可調(diào)控的微米級成分梯度。

這種微米級成分梯度不僅帶來了相穩(wěn)定性以及微觀組織在空間上的調(diào)制，還提高了鈦合金的力學(xué)性能，使其成為目前增材制造鈦合金中所能實現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一。

綜上所述，研究者創(chuàng)造性地將成分調(diào)制的概念和3D打印結(jié)合起來，另辟蹊徑地設(shè)計出具有微米級成分梯度結(jié)構(gòu)的合金設(shè)計策略。本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性變廢為寶，成功用來設(shè)計成分非均勻的高性能合金材料，更是極大地開拓了增材制造技術(shù)的想象空間，使得這項技術(shù)不僅僅被用作復(fù)雜構(gòu)件的成型技術(shù)，更可以被開發(fā)為一種全新的合金設(shè)計和制造方法，從而有力地推動增材制造技術(shù)實現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計的夢想。

論文第一作者、香港城市大學(xué)材料科學(xué)及工程學(xué)系博士后張?zhí)炻”硎荆霸谶@項研究中，我們不僅設(shè)計出了一種新型高性能材料，更揭示了3D打印技術(shù)在材料設(shè)計上也可以大有作為。”這些優(yōu)異的性能使其在各種情況下都有很好的結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景，例如航空航天、汽車、化工和醫(yī)療行業(yè)?！?br/>
“作為首個運用3D打印特點，研發(fā)出具有獨特微觀結(jié)構(gòu)及性能的新合金的研究團(tuán)隊，我們會繼續(xù)將這種全新的合金設(shè)計理念應(yīng)用于不同的合金系統(tǒng)。”劉錦川說。