3D打印技术造出新型钛合金

宋婷婷（音译）博士和马倩（音译）特聘教授（从左到右）与团队使用激光3D打印机制作的钛合金。图片来源：皇家墨尔本理工大学

包括澳大利亚皇家墨尔本理工大学、悉尼大学在内的国际研究团队将合金和3D打印工艺结合在一起，创造出了一种新的钛合金，这种合金在拉伸下坚固而不脆。这项发表在最新一期《自然》杂志上的突破，为在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术中应用的新一类更可持续的高性能钛合金的研制带来了希望。

新钛合金由两种钛晶体的混合物组成，称为α－钛相和β－钛相，每种钛晶体对应于特定的原子排列。氧气和铁是α－钛相和β－钛相的两种最强大的稳定剂和强化剂，它们丰富而廉价。

但研究人员发现，有两个挑战阻碍了通过传统制造工艺开发坚韧的α-β钛氧铁合金。一个挑战是氧气会使钛变脆；另一个挑战是加入铁可能会导致严重的冶金缺陷，形成大块β钛。

该团队使用了激光定向能沉积从金属粉末打印出他们的合金，这是一种适用于制造大型复杂零件的3D打印工艺。他们将合金设计理念与3D打印工艺设计结合，确定了一系列坚固、延展性好、易于打印的合金。

关键的推动因素是氧和铁原子在α－钛相和β－钛相内部和二者之间的独特分布。研究人员在α－钛相中设计了一种纳米级的氧梯度，具有坚固的高氧段和延展性的低氧段，从而能够对局部原子键施加控制，降低了潜在脆化的可能性。

该团队表示，这些新合金的诱人性能可与商业合金相媲美。

悉尼大学副校长西蒙·林格教授表示，这项研究提供了一种新的钛合金系统，该系统具有广泛且可调的机械性能、高可制造性、巨大的减排潜力，也为同类系统材料设计提供了见解。

研究人员表示，该团队在设计中融入了循环经济的思想，为利用工业废物和低品位材料生产新的钛合金创造了希望。

此外，氧脆化不仅对钛，而且对其他重要金属，如锆、铌、钼及其合金，都是一个重大的冶金挑战。新研究可能会提供一个模板，即通过3D打印和微结构设计来缓解这些氧脆化问题。