由城市大学 (CityU) 的科学家领导的一项研究使用增材制造(俗称 3D 打印)成功开发了一种超强、高延展性和超轻的钛基合金。他们的发现开辟了一条新途径，可以为各种结构应用设计具有前所未有的结构和性能的合金。

研究团队由工程学院大学特聘教授、城大高等研究院(HKIAS)高级研究员刘链骏教授领导。材料科学与工程系(MSE)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期刊《科学》上，城大校长郭维也参与其中，题为“通过增材制造进行浓度调制的高级钛合金原位设计”。

3D打印：不仅仅是一种成型技术

大多数人认为 3D 打印是一项革命性的技术，只需一步即可生产出形状复杂的机器零件。“然而，我们发现它在设计材料而不是简单地设计几何形状方面具有重要的潜力，”完成博士学位的张博士说。今年早些时候在刘教授的指导下在城大。

冶金学家倾向于认为合金成分缺乏均匀性是不可取的，因为它会导致不良性能，例如脆性。增材制造过程中的关键问题之一是如何消除快速冷却过程中的这种不均匀性。但是张博士之前的建模和模拟研究发现，成分中一定程度的异质性实际上可以产生独特的异质微观结构，从而增强合金的性能。因此，他试图通过使用增材制造将这些模拟结果变为现实。

“增材制造的独特功能为我们设计微观结构提供了更大的自由，”张博士解释说，他也是该论文的第一作者。“具体来说，我们开发了一种部分均质化方法，可以借助 3D 打印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，该团队以可控的方式成功地创建了新合金中元素的非均匀成分。

“除了使用增材制造之外，两种粉末混合物的成分是在新合金中创造前所未有的具有高亚稳定性的熔岩状微观结构的另一个关键，”刘教授说。“这些独特的微观结构产生了卓越的机械性能，使合金非常坚固但具有延展性，并且重量轻。”

新型合金：轻40%，超强

虽然不锈钢的重量通常为每立方厘米 7.9 克，但新合金的重量仅为每立方厘米 4.5 克，重量减轻了约 40%。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 吉帕的高拉伸强度和约 9% 的均匀伸长率。它还具有超过 300 兆帕的出色加工硬化能力，可确保断裂前的大安全裕度，可用于结构应用。

刘教授说：“这些优异的性能有望用于各种场景的结构应用，例如航空航天、汽车、化工和医疗行业。”

“作为第一个使用 3D 打印开发具有独特微观结构和性能的新合金的团队，我们将进一步将这种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，”他补充道。