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《Science》:“3D打印+成分调制”赋能合金设计

近日,来自香港城市大学、广东省科学院、西安交通大学等单位科研人员成功运用3D打印技术研发出一种高强度、高塑性的钛合金。这是一种违反直觉的3D打印策略,创造性地将成分调制的概念和3D打印结合起来赋能合金设计,即通过精心调控熔池中不同粉末的混合程度,设计出一种前所未见的微米级成分梯度结构,从而形成熔岩状组织并由此带来优异的力学性能。研究成果以“In situ design of advanced titanium alloy with concentration modul-ations by additive manufacturing”为题发表于国际顶尖期刊《Science》上。


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《Science》:“3D打印+成分调制”赋能合金设计

 一般来说,金属材料中的成分不均匀性往往被看做重大缺陷,是研究人员一直努力避免的。这是因为,一方面人们对成分不均匀性的积极作用缺乏足够认识,另一方面传统铸造、锻造等方法通常无法有效地调控材料内部的成分波动。

3D打印,也称为增材制造,往往被看作是一种单纯的直接成型技术。很少有人会想到,3D打印过程蕴含的独特物理过程在合金设计中同样可以发挥意想不到的优势。通过早前的计算模拟研究,研究人员发现一定程度上的成分不均匀性有助于制造出独特的异构微观结构,从而提升材料的力学性能。因此,他们认为材料的成分不均匀性可以被积极利用,并成为有效的合金设计方法。

在增材制造过程中,金属粉末会发生快速的熔化和凝固,超快的冷却速度使熔池中产生的成分梯度得以成功保留。基于这种新思路,为有效调控材料内部成分波动,研究人员尝试在3D打印过程中采用两种常见合金粉末(包括不锈钢粉末)进行混合打印。通过精心选择粉末种类,以及特殊打印参数,他们成功实现了可调控的微米级成分梯度。这种微米级成分梯度不仅带来了相稳定性以及微观组织在空间上的调制,还提高了钛合金的力学性能,使其成为目前增材制造钛合金中所能实现的最小晶粒尺寸之一。

本研究工作不仅将增材制造原位合金化中的成分不均匀性“变废为宝”,成功用来设计成分非均匀的高性能合金材料,更极大地开拓了增材制造技术的想象空间,使得这项技术不仅可以用作复杂构件的成型技术,还可以被开发为一种全新的合金设计和制造方法,从而有力推动增材制造技术实现“材料-结构-性能”一体化智能设计的梦想。

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广东省科学院新材料研究所的金属3D打印装备及打印的试样

相关研究由中国工程院外籍院士、香港城市大学杰出教授刘锦川(C.T. Liu)指导,刘锦川表示, “除了有赖于3D打印技术,两种粉末混合物的成分亦非常关键,这让我们创造出一种前所未见、具有熔岩状微观组织和高度亚稳态的新型高性能合金。独特的微观组织衍生出优异的力学性能,令合金强度高之余,同时具有高延展性,而且重量轻巧。”“这些优异的性能有望于不同场景的结构应用大派用场,例如航空航天、汽车、化学和医疗行业。”“作为首队运用3D打印而研发出具独特微观组织及性能的新合金的研究团队,我们会继续将这设计意念,实践于不同的合金系统,以进一步研究新合金的其他性能。”

论文第一作者、香港城市大学博士后张天隆表示:“我们的研究发现,3D打印并非只能设计形状,在设计材料方面更可大有作为。”

论文第二作者、广东省科学院教授级高级工程师黄正华介绍,研究实验由广东省科学院新材料研究所(前身为广东省材料与加工研究所)与香港城市大学共建“粤港轻合金先进制造技术联合研发中心”完成。粤港联合研发中心于2018年在广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目的资助下成立,主要开展新型高性能轻合金材料与轻合金增材制造技术研究。

论文信息:

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.

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770

拓展阅读:

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粤港轻合金先进制造技术联合研发中心揭牌仪式

粤港轻合金先进制造技术联合研发中心

2018年底,在广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目(2019GDASYL-0203002)的资助下,广东省科学院新材料研究所(前身为广东省材料与加工研究所)与香港城市大学开始共建“粤港轻合金先进制造技术联合研发中心”,联合开展新型高性能轻合金材料及先进成形、加工技术的研究。

省科学院高度重视粤港合作建设,省科学院党委副书记颜国荣亲临“粤港轻合金先进制造技术联合研发中心”成立揭牌现场并寄予期望“希望省材料加工所充分发挥好这一重要平台作用,聚焦轻合金材料领域,开展应用基础研究与技术创新,提升研究所在轻合金材料领域的科研实力和影响力”。

近三年来,研发中心已解决了数项轻合金的共性基础理论,攻克了数项轻合金产业关键共性技术,形成了一批可辐射粤港轻合金铸造和加工企业的先进制造技术,已初步建成研发水平一流、自主创新能力突出、产业化示范推广能力强、在国内和香港同行业中有影响力、可参与国际科技交流合作、为行业发展提供技术支撑的研发基地、人才培养基地和产业化示范推广基地,提升了广东省科学院学科领域综合创新能力和发挥了在粤港澳大湾区建设中的创新枢纽作用。


 供稿:黄正华