【《科學》:劉錦川院士將3D打印賦能合金設計】近日,中國工程院外籍院士、香港城市大學教授劉錦川團隊成功運用增材製造技術研發出一種高強度、高塑性的鈦合金。相關研究成果http://t.cn/A6MdjfNi 發表於《科學》。

劉錦川表示,這是一種具有前所未見的熔岩狀微觀組織的亞穩態鈦合金。“這種獨特的微觀結構給合金帶來了優異的力學性能和細小的晶粒結構,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,並保持鈦合金的低密度。”

3D打印又稱增材製造,是一種單純的直接成型技術。但很少有人想到將3D打印運用到合金設計中。

在這項研究中,研究人員創造性地提出了一種3D打印策略,即通過精心調控熔池中不同粉末的混合程度,設計出一種前所未見的具有熔岩狀組織的合金,並且這種合金擁有優異的力學性能。

研究人員認為,該研究開拓了增材製造技術的想象空間,使其可以被開發為一種全新的合金設計和製造方法,推動增材製造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。

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識,另一方面傳統方法通常無法有效地調控材料內部的成分波動。

通過早前的計算模擬研究,研究人員發現一定程度上的成分不均勻性有助於製造出獨特的異構微觀結構,從而提升材料的力學性能。因此,他們認為材料的成分不均勻性可以被積極利用,並成為有效的合金設計方法。

為了有效調控合金內部的成分波動,研究人員采用了增材製造技術。因為在增材製造過程中,金屬粉末會發生快速的熔化和凝固。由於超快的冷卻速度,在熔池中產生的成分梯度得以成功保留。

基於這種新思路,研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末(包括不鏽鋼粉末)進行混合打印。通過精心選擇的粉末種類,以及特殊的打印參數,他們成功實現了可調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定性以及微觀組織在空間上的調制,還提高了鈦合金的力學性能,使其成為目前增材製造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一。

論文第一作者、香港城市大學材料科學及工程學系博士後張天隆表示,“在這項研究中,我們不僅設計出了一種新型高性能材料,更揭示了3D打印技術在材料設計上也可以大有作為。”

“作為首個運用3D打印特點,研發出具有獨特微觀結構及性能的新合金的研究團隊,我們會繼續將這種全新的合金設計理念應用於不同的合金系統。”劉錦川說。http://t.cn/A6MdjfN6

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