一組研究人員使用微型 3D 打印制造了一種新的“超強、高延展性和超輕”鈦基合金。
來自香港城市大學 (CityU) 的團隊表示，這項研究可能會產生更多具有“前所未有”結構和性能的合金，適用于結構應用。
第一作者張天龍博士說，大多數人認為 3D 打印是一種只需一步即可生產復雜形狀機器零件的技術。“然而，我們發現它在設計材料方面具有重要的潛力，而不僅僅是設計幾何形狀。”
冶金學家傾向于認為合金成分缺乏均勻性是不可取的，因為它會導致不良性能，例如脆性。增材制造的關鍵問題之一是如何消除 快速冷卻過程中的這種不均勻性。天龍博士之前的建模和模擬發現，組件中一定程度的異質性可以產生獨特且異質的微觀結構，從而增強合金性能，因此他試圖將這些發現變為現實。
“增材制造的獨特功能為我們設計微觀結構提供了更大的自由，”天龍博士說。
“具體來說，我們開發了一種部分均質化方法，可借助 3D 打印生產具有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。”
該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方式創建了非均勻構圖。
“除了使用增材制造外，兩種粉末混合物的成分是在新合金中創造出前所未有的具有高亞穩定性的熔巖狀微觀結構的另一個關鍵，”研究負責人 Liu Chain-Tsuan 教授說。獨特的微觀結構產生了卓越的機械性能，使合金非常堅固，但具有延展性和重量輕。”
不銹鋼的重量通常為 7.9g/cm 3，而新合金的重量僅為 4.5g/cm 3，重量大約減輕了 40%。在該團隊的實驗中，具有熔巖狀微觀結構的鈦合金表現出約 1.3 吉帕斯卡的高抗拉強度，均勻伸長率約為 9%。它還具有超過 300 兆帕的出色加工硬化能力，這在斷裂前提供了很大的安全裕度。
Chain-Tsuan 教授說：“這些優異的性能有望用于各種場景的結構應用，例如航空航天、汽車、化學和醫療行業。”
“作為第一個使用 3D 打印開發具有獨特微觀結構和性能的新合金的團隊，我們將進一步將這種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。”
該研究發表在《 科學》雜志上。
