将合金设计与3D打印相结合，开发出一种新型钛合金未知大陆-数字制造云平台

将合金设计与3D打印相结合，开发出一种新型钛合金

2023-06-01浏览量：103

导读：一个合作研究团队开发出一种新型钛合金，这种钛合金强度高、延展性好，不易碎。这一创新设计将合金的使用与3D打印工艺相结合，可能会彻底改变航空航天、生物医学、化学工程、太空和能源等领域的应用。这些合金包含 α-钛和 β-钛相的混合物，并添加了氧和铁作为稳定剂和强化剂。

研究人员将合金设计与3D打印相结合，开发出了一种新型延展性强的钛合金。该研究结果发表在《自然》杂志上，可以彻底改变包括航空航天和能源在内的各个领域的应用，并通过从工业废料和低品位材料中生产这些合金来促进可持续性。

一组研究人员通过整合合金和3D打印工艺设计，创造出一种新型钛合金，这种合金在张力下坚固而不脆。

这一突破发表在顶级期刊《自然》上，有助于扩展钛合金的应用，提高可持续性，并推动创新的合金设计。

他们的发现有望为航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术领域的应用开发出更可持续的新型高性能钛合金。

皇家墨尔本理工大学和悉尼大学与香港理工大学和墨尔本的 Hexagon Manufacturing Intelligence 公司合作领导了这项创新。

来自皇家墨尔本理工大学的首席研究员马谦特聘教授表示，该团队在他们的设计中融入了循环经济思想，为利用工业废料和低品位材料生产新型钛合金创造了巨大希望。

皇家墨尔本理工大学工程学院增材制造中心的Qian说：“再利用废物和劣质材料有可能增加经济价值并减少钛工业的高碳足迹。”

宋婷婷博士和马谦教授

该团队制造了哪些类型的钛合金？

该团队的钛合金由两种形式的钛晶体混合而成，称为α-钛相和β-钛相，每一种都对应于特定的原子排列。

这类合金一直是钛工业的支柱。自 1954 年以来，这些合金主要通过向钛中添加铝和钒来生产。

研究小组调查了氧气和铁的使用——两种最强大的稳定剂和α-和β-钛相的强化剂——它们丰富且廉价。

钱说，两个挑战阻碍了通过传统制造工艺开发高强度和延展性的 α-β 钛-氧-铁合金。

“一个挑战是氧气——通俗地描述为‘钛的氪石’——会使钛变脆，另一个挑战是添加铁可能导致严重缺陷，形成大块 β-钛。”

该团队使用激光定向能量沉积 (L-DED)（一种适用于制造大型复杂零件的3D打印工艺）从金属粉末中打印合金。

“对我们来说，一个关键的推动因素是我们的合金设计理念与3D打印工艺设计的结合，它已经确定了一系列强度高、延展性好且易于打印的合金，”Qian 说。

该团队表示，这些可以与商用合金相媲美的新型合金的吸引人的特性归因于它们的微观结构。

联合首席研究员、悉尼大学副校长Simon Ringer教授说:“这项研究提供了一种新的钛合金系统，它具有广泛和可调的机械性能、高可制造性、巨大的减排潜力，以及对同类系统中材料设计的见解。”

“关键的推动因素是氧和铁原子在α-钛和β-钛相内部和之间的独特分布。

“我们在 α- 钛相中设计了纳米级的氧梯度，具有坚固的高氧段和延展性的低氧段，使我们能够控制局部原子键合，从而减轻潜在的脆化。”

研究成果的潜在应用是什么？

该研究的主要作者、皇家墨尔本理工大学副校长研究员宋婷婷博士表示，该团队“正处于一个重要旅程的开始，从我们在这里的新概念的证明，到工业应用”。

“有理由感到兴奋——3D打印提供了一种完全不同的制造新型合金的方法，并且与传统方法相比具有明显的优势，”她说。

“工业界有可能利用我们的方法再利用废海绵钛-氧-铁合金、‘不合规格’的回收高氧钛粉或由高氧废钛制成的钛粉。”

在合作后期从悉尼大学加入香港理工大学的共同主要作者陈子斌博士表示，这项研究具有更广泛的意义。

“氧脆化不仅是钛的主要冶金挑战，也是锆、铌和钼等其他重要金属及其合金的主要冶金挑战，”他说。

“我们的工作可能会提供一个模板，通过3D打印和微结构设计来缓解这些氧脆问题。”

支持这项研究

Ringer 教授说，该团队的工作得益于国家和州政府以及大学对研究基础设施的持续、有针对性的投资。

“在许多方面，这项工作展示了澳大利亚国家合作研究基础设施战略的力量，并为将该战略扩展到先进制造领域奠定了基础，”他说。

参考：

“增材制造的强韧性钛-氧-铁合金”，2023 年 5 月 31 日，《自然》。
DOI: 10.1038/s41586-023-05952-6

“使用3D打印设计的钛合金”，2023 年 5 月 31 日，《自然》。
DOI: 10.1038/d41586-023-01360-y

澳大利亚研究委员会 (ARC) 通过发现计划和高级材料表面工程培训中心 (SEAM) 资助和支持了这项研究。

该团队感谢澳大利亚政府支持的澳美多学科大学研究计划的支持；香港理工大学；政府创新科技署在香港的国家重点实验室； Hexagon Manufacturing Intelligence 因其在 L-DED 工艺设计中使用的 Simufact DED 解决方案而获奖。

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