近日，來自香港城市大學(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)合起來賦能合金設(shè)計，即通過精心調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度，設(shè)計出一種前所未見的微米級成分梯度結(jié)構(gòu)，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優(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)表于國際頂尖期刊《Science》上。

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

 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(rèn)識，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)鑄造、鍛造等方法通常無法有效地調(diào)控材料內(nèi)部的成分波動。

3D打印，也稱為增材制造，往往被看作是一種單純的直接成型技術(shù)。很少有人會想到，3D打印過程蘊(yùn)含的獨特物理過程在合金設(shè)計中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢。通過早前的計算模擬研究，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)計方法。

在增材制造過程中，金屬粉末會發(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。基于這種新思路，為有效調(diào)控材料內(nèi)部成分波動，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（包括不銹鋼粉末）進(jìn)行混合打印。通過精心選擇粉末種類，以及特殊打印參數(shù)，他們成功實現(xiàn)了可調(diào)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(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”，成功用來設(shè)計成分非均勻的高性能合金材料，更極大地開拓了增材制造技術(shù)的想象空間，使得這項技術(shù)不僅可以用作復(fù)雜構(gòu)件的成型技術(shù)，還可以被開發(fā)為一種全新的合金設(shè)計和制造方法，從而有力推動增材制造技術(shù)實現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計的夢想。

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、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景的結(jié)構(gòu)應(yīng)用大派用場，例如航空航天、汽車、化學(xué)和醫(yī)療行業(yè)。”“作為首隊運用3D打印而研發(fā)出具獨特微觀組織及性能的新合金的研究團(tuán)隊，我們會繼續(xù)將這設(shè)計意念，實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。”

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)計形狀，在設(shè)計材料方面更可大有作為。”

論文第二作者、廣東省科學(xué)院教授級高級工程師黃正華介紹，研究實驗由廣東省科學(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)國內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動專項資金項目的資助下成立，主要開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

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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)國內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動專項資金項目（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)院黨委副書記顏國榮親臨“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)揮好這一重要平臺作用，聚焦輕合金材料領(lǐng)域，開展應(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)域的科研實力和影響力”。

近三年來，研發(fā)中心已解決了數(shù)項輕合金的共性基礎(chǔ)理論，攻克了數(shù)項輕合金產(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)、在國內(nèi)和香港同行業(yè)中有影響力、可參與國際科技交流合作、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