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采用3D打印技术创新设计性能卓越的钛合金

时间:2021-10-23

导读:由香港大学(CITYU)的科学家领导的一项研究已经成功地开发了一种超强、高韧性和超轻钛基合金,利用添加剂制造,通常被称为3D打印。他们的发现开辟了一条新途径......

由香港大学(CITYU)的科学家领导的一项研究已经成功地开发了一种超强、高韧性和超轻钛基合金,利用添加剂制造,通常被称为3D打印。他们的发现开辟了一条新途径,为各种结构应用设计具有前所未有的结构和性能的合金。

研究小组由Liu Chain Tsuan教授领导,他是工程学院的著名教授,也是香港大学高级研究所(HKIAS)高级研究员。材料科学与工程系(MSE)的博士后张天龙博士进行了实验。他们的论文最近发表在著名的科学杂志《科学》上,题为“通过添加剂制造进行浓度调节的先进钛合金原位设计”,城市大学校长郭伟伟也参与了这篇论文的撰写。

3D打印:不仅仅是一种成型技术

大多数人认为3D打印是革命性的技术,可以在一步内生产复杂形状的机器部件。今年早些时候,张博士在刘教授的指导下在城市大学完成了博士学位,他说:“然而,我们发现,它在设计材料方面具有重要的潜力,而不仅仅是设计几何图形。”。

冶金学家倾向于认为合金成分不均匀是不可取的,因为它会导致不良的性能,如脆性。添加剂制造过程中的关键问题之一是如何在快速冷却过程中消除这种不均匀性。但张博士之前的建模和模拟研究发现,成分中的某种程度的异质性实际上可以产生独特和异质的微观结构,从而提高合金的性能。因此,他试图通过使用添加剂制造将这些模拟结果变为现实。

设计独特的微结构

“添加剂制造的独特特性为我们设计微观结构提供了更大的自由,”张博士解释说,他也是论文的第一作者。“具体而言,我们开发了一种局部均化方法,借助3D打印技术生产具有微米级浓度梯度的合金,这是任何传统材料制造方法都无法实现的。”

他们提出的方法涉及使用聚焦激光束熔化和混合两种不同的合金粉末和不锈钢粉末。通过在3D打印过程中控制激光功率及其扫描速度等参数,该团队成功地以可控的方式在新合金中形成了元素的不均匀成分。

刘教授说:“除了使用添加剂制造,两种粉末混合物的成分是在新合金中创造出前所未有的熔岩状微观结构和高亚稳性的另一个关键因素。”。这些独特的微观结构产生了极高的机械性能,使合金具有很强的韧性,并且重量轻

新型合金:重量轻40%,超强

虽然不锈钢通常为每立方厘米7.9克,但新合金的重量仅为每立方厘米4.5克,因此重量减轻了40%左右。在他们的实验中,具有熔岩状微观结构的钛合金表现出约1.3千兆帕斯卡的高抗拉强度和约9%的均匀伸长率。它还具有超过300兆帕的优良加工硬化能力,保证了断裂前的较大安全裕度,在结构应用中非常有用。

刘教授说:“这些优异的性能在各种情况下都有很好的应用前景,如航空航天、汽车、化工和医疗行业。”。

他补充说:“作为第一个利用3D打印技术开发具有独特微观结构和性能的新合金的团队,我们将进一步将这一设计理念应用于不同的合金系统,以进一步探索新合金的其他性能。”。

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