近日，來(lái)自香港城市大學(xué)、廣東省科學(xué)院、西安交通大學(xué)等單位科研人員成功運(yùn)用3D打印技術(shù)研發(fā)出一種高強(qiáng)度、高塑性的鈦合金。這是一種違反直覺(jué)的3D打印策略，創(chuàng)造性地將成分調(diào)制的概念和3D打印結(jié)合起來(lái)賦能合金設(shè)計(jì)，即通過(guò)精心調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度，設(shè)計(jì)出一種前所未見(jiàn)的微米級(jí)成分梯度結(jié)構(gòu)，從而形成熔巖狀組織并由此帶來(lái)優(yōu)異的力學(xué)性能。研究成果以“In situ design of advanced titanium alloy with concentration modul-ations by additive manufacturing”為題發(fā)表于國(guó)際頂尖期刊《Science》上。

《Science》：“3D打印+成分調(diào)制”賦能合金設(shè)計(jì)

 一般來(lái)說(shuō)，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?yàn)椋环矫嫒藗儗?duì)成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認(rèn)識(shí)，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)鑄造、鍛造等方法通常無(wú)法有效地調(diào)控材料內(nèi)部的成分波動(dòng)。

3D打印，也稱(chēng)為增材制造，往往被看作是一種單純的直接成型技術(shù)。很少有人會(huì)想到，3D打印過(guò)程蘊(yùn)含的獨(dú)特物理過(guò)程在合金設(shè)計(jì)中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)早前的計(jì)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(dú)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(jì)方法。

在增材制造過(guò)程中，金屬粉末會(huì)發(fā)生快速的熔化和凝固，超快的冷卻速度使熔池中產(chǎn)生的成分梯度得以成功保留?；谶@種新思路，為有效調(diào)控材料內(nèi)部成分波動(dòng)，研究人員嘗試在3D打印過(guò)程中采用兩種常見(jiàn)合金粉末（包括不銹鋼粉末）進(jìn)行混合打印。通過(guò)精心選擇粉末種類(lèi)，以及特殊打印參數(shù)，他們成功實(shí)現(xiàn)了可調(diào)控的微米級(jí)成分梯度。這種微米級(jí)成分梯度不僅帶來(lái)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(shí)現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一。

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(lái)設(shè)計(jì)成分非均勻的高性能合金材料，更極大地開(kāi)拓了增材制造技術(shù)的想象空間，使得這項(xiàng)技術(shù)不僅可以用作復(fù)雜構(gòu)件的成型技術(shù)，還可以被開(kāi)發(fā)為一種全新的合金設(shè)計(jì)和制造方法，從而有力推動(dòng)增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計(jì)的夢(mèng)想。

廣東省科學(xué)院新材料研究所的金屬3D打印裝備及打印的試樣

相關(guān)研究由中國(guó)工程院外籍院士、香港城市大學(xué)杰出教授劉錦川（C.T. Liu）指導(dǎo)，劉錦川表示， “除了有賴(lài)于3D打印技術(shù)，兩種粉末混合物的成分亦非常關(guān)鍵，這讓我們創(chuàng)造出一種前所未見(jiàn)、具有熔巖狀微觀組織和高度亞穩(wěn)態(tài)的新型高性能合金。獨(dú)特的微觀組織衍生出優(yōu)異的力學(xué)性能，令合金強(qiáng)度高之余，同時(shí)具有高延展性，而且重量輕巧。”“這些優(yōu)異的性能有望于不同場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)應(yīng)用大派用場(chǎng)，例如航空航天、汽車(chē)、化學(xué)和醫(yī)療行業(yè)。”“作為首隊(duì)運(yùn)用3D打印而研發(fā)出具獨(dú)特微觀組織及性能的新合金的研究團(tuán)隊(duì)，我們會(huì)繼續(xù)將這設(shè)計(jì)意念，實(shí)踐于不同的合金系統(tǒng)，以進(jìn)一步研究新合金的其他性能?！?/p>

論文第一作者、香港城市大學(xué)博士后張?zhí)炻”硎荆骸拔覀兊难芯堪l(fā)現(xiàn)，3D打印并非只能設(shè)計(jì)形狀，在設(shè)計(jì)材料方面更可大有作為?！?/p>

論文第二作者、廣東省科學(xué)院教授級(jí)高級(jí)工程師黃正華介紹，研究實(shí)驗(yàn)由廣東省科學(xué)院新材料研究所（前身為廣東省材料與加工研究所）與香港城市大學(xué)共建“粵港輕合金先進(jìn)制造技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心”完成。粵港聯(lián)合研發(fā)中心于2018年在廣東省科學(xué)院建設(shè)國(guó)內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目的資助下成立，主要開(kāi)展新型高性能輕合金材料與輕合金增材制造技術(shù)研究。

論文信息：

Tianlong Zhang, Zhenghua Huang, Tao Yang, Haojie Kong, Junhua Luan, Anding Wang, Dong Wang, Way Kuo, Yunzhi Wang, Chain-Tsuan Liu, In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing, Science, 2021, 374: 478-482.

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770

拓展閱讀：

粵港輕合金先進(jìn)制造技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心揭牌儀式

粵港輕合金先進(jìn)制造技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心

2018年底，在廣東省科學(xué)院建設(shè)國(guó)內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2019GDASYL-0203002）的資助下，廣東省科學(xué)院新材料研究所（前身為廣東省材料與加工研究所）與香港城市大學(xué)開(kāi)始共建“粵港輕合金先進(jìn)制造技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心”，聯(lián)合開(kāi)展新型高性能輕合金材料及先進(jìn)成形、加工技術(shù)的研究。

省科學(xué)院高度重視粵港合作建設(shè)，省科學(xué)院黨委副書(shū)記顏國(guó)榮親臨“粵港輕合金先進(jìn)制造技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心”成立揭牌現(xiàn)場(chǎng)并寄予期望“希望省材料加工所充分發(fā)揮好這一重要平臺(tái)作用，聚焦輕合金材料領(lǐng)域，開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新，提升研究所在輕合金材料領(lǐng)域的科研實(shí)力和影響力”。

近三年來(lái)，研發(fā)中心已解決了數(shù)項(xiàng)輕合金的共性基礎(chǔ)理論，攻克了數(shù)項(xiàng)輕合金產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)，形成了一批可輻射粵港輕合金鑄造和加工企業(yè)的先進(jìn)制造技術(shù)，已初步建成研發(fā)水平一流、自主創(chuàng)新能力突出、產(chǎn)業(yè)化示范推廣能力強(qiáng)、在國(guó)內(nèi)和香港同行業(yè)中有影響力、可參與國(guó)際科技交流合作、為行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐的研發(fā)基地、人才培養(yǎng)基地和產(chǎn)業(yè)化示范推廣基地，提升了廣東省科學(xué)院學(xué)科領(lǐng)域綜合創(chuàng)新能力和發(fā)揮了在粵港澳大灣區(qū)建設(shè)中的創(chuàng)新樞紐作用。

 供稿：黃正華