香港理工大學《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（以下簡稱理大）科學家與皇家墨爾本理工大學和悉尼大學合作，成功利用3D打印解決了鈦合金生產中長期存在的質量和廢物管理等問題。

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

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

鈦合金是先進的輕質材料，在許多關鍵應用中發(fā)揮著不可或缺的作用。研究團隊發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新地使用增材制造來生產鈦合金和其他潛在的金屬材料具有許多優(yōu)勢，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，研究團隊生產出了一種新型的堅固、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且豐富的氧和鐵來實現(xiàn)的，它們是α-β 相鈦合金的兩種最強大的穩(wěn)定元素和強化劑。新型鈦合金在多種應用中展現(xiàn)出巨大的潛力——從航空航天和海洋工程到消費電子產品和生物醫(yī)學設備。

△陳子斌博士

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

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

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

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金屬合金生產行業(yè)產生的 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計、計算模擬和實驗表征，以探索新型鈦α-β Ti-O-Fe 合金的增材制造工藝-微觀結構-性能空間。

該研究強調，增材制造可以一步生產復雜且功能性的金屬零件，從而加速產品開發(fā)并降低成本。此外，它還可用于制造具有獨特結構和成分的金屬零件，這是傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的。

在質量改進方面，增材制造可以調整金屬合金的微觀結構，從而提高強度、靈活性以及耐腐蝕性和防水性。此外，還可以制造具有復雜內部結構的輕質且堅固的金屬零件。這項研究突破為 3D 打印推動的整體和可持續(xù)材料設計策略開辟了可能性。

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