皇家墨尔本理工大学和悉尼大学的研究人员开发出了一种新型的坚固、延展、可调且可持续的钛合金。这项研究是与香港理工大学和瑞典软件开发商Hexagon 的 制造智能部门合作进行的。
钛合金是非常有用的材料，因其强度高、重量轻、耐腐蚀和耐高温而备受推崇。然而，传统制造的钛合金生产成本昂贵。
据称，这项新研究为新型可持续且廉价的高性能钛合金提供了潜力，可用于航空航天、生物医学、化学工程、太空和能源应用。该团队整合合金和 3D 打印工艺设计来开发新型钛合金，这些合金是使用激光定向能量沉积 (L-DED) 从金属粉末中 3D 打印出来的。
皇家墨尔本理工大学首席研究员马前教授表示，研究团队将循环经济融入到了他们的设计中。这些新型合金可以用废品和低级材料生产，不需要昂贵的添加剂，如钒和铝。相反，使用廉价且丰富的氧气和铁。
“废物和低质量材料的再利用有可能增加经济价值并减少钛行业的高碳足迹，”钱评论道。
主要作者、皇家墨尔本理工大学的 Tingting Song 博士声称，该团队“正处于一个重大旅程的开始，从证明我们的新概念到工业应用”。
“我们有理由感到兴奋——3D 打印提供了一种完全不同的制造新型合金的方法，并且与传统方法相比具有明显的优势。工业界有一个潜在的机会，可以利用我们的方法重新利用废弃的海绵钛氧铁合金、“不合格”的回收高氧钛粉或由高氧废钛制成的钛粉。”宋补充道。
该团队的研究论文题为“通过增材制造实现强韧性钛氧铁合金”，已发表在《自然》杂志上。
开发新型3D打印钛合金
该团队的合金由两种形式的钛晶体、α-钛相和β-钛相的混合物组成，称为Ti-6Al-4V。每种形式对应于特定的原子排列。
Ti-6Al-4V 是最常见的钛合金，传统上使用 6% 的铝和 4% 的钒生产，占整个钛市场的 50% 以上。这项新研究用氧和铁代替了铝和钛。除了容易获得和廉价之外，这些元素还是α-钛相和β-钛相的两种最强大的稳定剂和强化剂。
传统上，含有高含量钛和氧的钛合金面临着阻碍其开发和采用的挑战。
“一个挑战是氧——通俗地描述为‘钛的氪石’——会使钛变脆，另一个挑战是添加铁可能会导致大片β-钛形式的严重缺陷，”钱说。
L-DED 3D 打印是一种通常用于制造大型复杂零件的工艺，它使研究人员能够克服这些挑战。
使用 L-DED 使团队能够调整合金的机械性能。科学家们在合金中产生了纳米级的钛晶体，仔细控制了氧和铁原子的分布。这导致合金的某些特定部分非常坚固，而其他部分则具有延展性，从而确保材料在张力下不会脆化。
该团队使用 Hexagon Simufact Welding 程序中的 DED 模块 3D 打印并测试了一系列此类配置。经过测试，研究人员发现他们的合金可以与其他商用钛合金的延展性和强度相媲美。
悉尼大学联合首席研究员 Simon Ringer 教授解释说：“关键的促成因素是氧和铁原子在 α-钛和 β-钛相内部和之间的独特分布。”
“我们在α-钛相中设计了纳米级的氧梯度，具有坚固的高氧片段和具有延展性的低氧片段，使我们能够控制局部原子键合，从而减轻脆化。”
该团队使用激光定向能量沉积 3D 打印了新型合金的 α-β 相界面上的原子级微观结构。图片由马谦、Simon Ringer 及其同事提供。
3D打印合金的发展
这并不是3D打印第一次用于金属合金的开发。去年，亚琛工业大学数字增材生产 (DAP) 主席的研究人员使用超高速激光材料沉积 (EHLA) 3D 打印来开发用于激光粉末床熔合 (PBF) 的新型合金。
EHLA 最初于 2017 年开发，是Fraunhofer ILT针对大容量定向能量沉积 (DED) 的成果。RWTH 的调查比较了两种印刷技术的工艺特性，在其材料能力的可转移性方面取得了有希望的结果。根据他们的发现，DAP 团队推断 EHLA 可以作为PBF 3D 打印的快速合金开发平台。
此外，美国国家航空航天局 (NASA) 开发了一种新型金属 3D 打印合金，用于高性能航空航天系统。这种新材料称为 GRX-810，是氧化物弥散强化 (ODS) 合金的一个例子，这是一种含有纳米级氧化物颗粒的金属。据报道，这种合金非常坚固耐用，能够承受超过 1090°C (2000°F) 的温度。
“纳米级氧化物颗粒体现了这种合金令人难以置信的性能优势，”美国宇航局转型工具和技术项目副项目经理戴尔·霍普金斯评论道。
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特色图像显示了该团队使用激光定向能量沉积 3D 打印的新型合金的 α-β 相界面上的原子级微观结构。图片由马谦 Simon Ringer 及其同事提供。
