新3D打印工藝帶來的新型“Designer”鈦合金可由廢料制成

鈦合金價格昂貴，但非常有用的材料經常用于需要高強度、低重量以及耐腐蝕和耐高溫的工況。 它們經常出現在航空航天、高端汽車、建筑、體育、工業和健康應用中。一種新穎的3D打印工藝開辟了一類新的堅固、延展、性狀可調的鈦合金，這種鈦合金有可能由廢料制成，無需釩等昂貴的添加劑，這種工藝也適用于鋯、鈮和鉬材料。

由澳大利亞皇家墨爾本理工大學領導的一個研究小組與悉尼大學、香港理工大學和墨爾本的 Hexagon Manufacturing intelligence 合作，他們已經開發出一種根本不同的方法來制造與鈦/釩一樣堅固和實用的新型鈦合金 /鋁合金，但使用廉價、豐富的氧和鐵代替更昂貴的金屬。

這與標準鈦合金制造大相徑庭。 該團隊表示，氧氣對于鈦的α相來說是一種很好的穩定劑和強化劑，但它也會使其變脆和開裂——因此它被稱為鈦的“氪石”。 工業鈦合金的經驗設計規則將氧含量限制在 0.12% 到 0.72% 之間，具體取決于制造的合金，而鋁通常用于此目的。

同樣，鐵不僅價格低廉而且儲量豐富，而且還是穩定 β 相鈦的第二輕候選物。 但它往往會導致 β-鈦以大斑點的形式聚集在一起，大小可達厘米，從而導致最終金屬出現結構缺陷。 所以它也受到嚴格控制，在大多數工業合金制造中保持在 2% 以下。

但該團隊發現，通過將合金混合作為稱為激光金屬粉末定向能量沉積的 3D 打印工藝的一部分，能夠消除這些缺點，這使他們能夠在鋪設材料時仔細注意材料的微觀結構。

來自新型 3D 打印合金的 alpha-beta 相間界面的原子級微觀結構，幾乎所有的氧都在 α 相晶體中，幾乎所有的鐵都在 β 相晶體中

他們使用氧和鐵作為穩定劑制造并印刷了一系列合金，并以多種方式對其進行了測試，發現它們能夠與商用鈦合金的強度和延展性相媲美。 通過 3D 打印，這些新合金可以精確地制成所需的形狀——但金屬的特性也可以根據您的制造進行定制——因此獲得了“Designer”鈦合金的綽號。

“這項研究提供了一種新的鈦合金系統，該系統具有廣泛且可調的機械性能、高可制造性、巨大的減排潛力以及對同類系統材料設計的見解，”聯合首席研究員和悉尼大學副教授說 -校長西蒙林格教授在新聞稿中。

“關鍵的推動因素是氧和鐵原子在α-鈦和β-鈦相內部和之間的獨特分布，”他解釋說。“我們在α-鈦相中設計了納米級的氧梯度，具有高- 堅固的氧鏈段和延展性的低氧鏈段使我們能夠控制局部原子鍵合，從而減輕脆化的可能性。”

氧脆性不僅是鈦的問題——它也是阻止鈦用于鋯、鈮、鉬和其他金屬的關鍵因素。 研究人員認為，對于這些其他金屬，同樣的過程可能是可行的，但還需要進一步的研究。

除了限制昂貴金屬的使用外，這項技術還可以通過使用目前被認為是低品位的回收工業廢料和材料來降低鈦合金的成本。

主要作者、皇家墨爾本理工大學副校長研究員宋婷婷博士表示，該團隊“正處于一段重要旅程的開始，從這里證明我們的新概念，到工業應用。 有理由感到興奮——3D 打印提供了一種完全不同的制造新型合金的方法，并且與傳統方法相比具有明顯的優勢。 工業界有可能利用我們的方法再利用廢海綿鈦-氧-鐵合金、‘不合格’的回收高氧鈦粉或由高氧廢鈦制成的鈦粉。”

這項研究在《自然》雜志上是開放獲取的。