由香港城市大学(CityU)的科学家领导的一项研究，利用增材制造技术(通常被称为3D打印)，成功开发出一种超强、高延展性和超轻的钛基合金。他们的发现为设计具有前所未有的结构和性能的合金开辟了一条新途径，用于各种结构应用。
研究小组由香港城市大学工程学院特聘教授及香港高等研究院高级研究员刘链庄教授领导。该实验由材料科学与工程学院博士后张天龙博士进行。他们的论文最近发表在著名的科学杂志《科学》(Science)上，题目是《通过增材制造调节浓度的先进钛合金原位设计》(in situ design of advanced titanium alloy with concentration modification by additive manufacturing)，城市大学校长郭伟(Way Kuo)也参与了论文的撰写。
3D打印:不仅仅是一种成形技术
大多数人认为3D打印是一项革命性的技术，只需一步就能制造出形状复杂的机器零件。张博士表示:“然而，我们揭示了它在材料设计方面的重要潜力，而不是简单的几何形状设计。”今年早些时候，张博士在刘教授的指导下完成了在城市大学的博士学位。
冶金学家倾向于认为合金成分缺乏均匀性是不可取的，因为它会导致不好的性能，例如脆性。如何消除快速冷却过程中的不均匀性是增材制造过程中的关键问题之一。但是张博士之前的建模和模拟研究发现，在组分中一定程度的非均匀性实际上可以产生独特的非均匀组织，从而提高合金的性能。所以他试图通过增材制造将这些模拟结果变成现实。
设计独特的微观结构
“增材制造的独特特性为我们设计微结构提供了更大的自由度，”张博士解释说，他也是该论文的第一作者。“具体来说，我们开发了一种局部均质化方法，在3D打印的帮助下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。”
他们提出的方法包括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和扫描速度等参数，该团队成功地以可控的方式创造了新合金中元素的非均匀成分。
“除了使用增材制造，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带来了极高的力学性能，使合金强度高，但延展性好，而且重量轻。”
新型合金:重量轻40%，强度超强
不锈钢的重量一般为每立方厘米7.9克，而新合金的重量仅为每立方厘米4.5克，因此重量轻了约40%。在他们的实验中，具有类熔岩组织的钛合金表现出约1.3 gigapals的高抗拉强度和约9%的均匀延伸率。它还具有超过300兆帕斯卡的优良加工硬化能力，这保证了在断裂前有很大的安全裕度，在结构应用中非常有用。
刘教授说:“这些优异的性能在各种场合的结构应用都很有前景，比如航空航天、汽车、化学和医疗行业。”
他补充说:“作为第一个使用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到不同的合金系统，以进一步探索新合金的其他性能。”
