中國(guó)工程院外籍院士、香港城市大學(xué)教授劉錦川團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了一種3D打印策略，通過(guò)調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度，研發(fā)出一種高強(qiáng)度、高塑性的鈦合金。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《科學(xué)》。
一般來(lái)說(shuō)，金屬材料中的成分不均勻性往往被視為重大缺陷，是研究人員一直努力避免的—— 一方面，人們對(duì)成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認(rèn)識(shí);另一方面，傳統(tǒng)方法通常無(wú)法有效調(diào)控材料內(nèi)部的成分波動(dòng)。
通過(guò)早前的計(jì)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(dú)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(jì)方法。
為調(diào)控合金內(nèi)部的成分波動(dòng)，研究人員采用了3D打印技術(shù)。這是一種單純的直接成型技術(shù)，但很少有人想到將其運(yùn)用到合金設(shè)計(jì)中。在3D打印過(guò)程中，金屬粉末會(huì)發(fā)生快速的熔化和凝固。由于超快的冷卻速度，在熔池中產(chǎn)生的成分梯度得以成功保留。
基于這種新思路，研究人員嘗試在3D打印過(guò)程中將兩種常見(jiàn)合金粉末(包括不銹鋼粉末)進(jìn)行混合打印。通過(guò)精心選擇的粉末種類以及特殊的打印參數(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了可調(diào)控的微米級(jí)成分梯度。
劉錦川表示，這種微米級(jí)成分梯度不僅帶來(lái)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3D打印鈦合金中所能實(shí)現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一。
劉錦川說(shuō)，這是一種具有熔巖狀微觀組織的亞穩(wěn)態(tài)鈦合金。“這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)給合金帶來(lái)了優(yōu)異的力學(xué)性能和細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)，使合金在擁有超高強(qiáng)度的同時(shí)仍有極高的均勻變形能力，并保持鈦合金的低密度。”(見(jiàn)習(xí)記者 田瑞穎)
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