香港城市大学利用3D打印技术开发的新型钛合金具有熔岩般的微观结构，这些微观结构使其具有优异的机械性能。学分:香港城市大学由香港城市大学(CityU)的科学家领导的一项研究成功地开发了一种超强、高延展性和超轻的钛基合金，该合金使用了添加剂制造，通常称为3D打印。他们的发现为各种结构应用设计具有前所未有的结构和性能的合金开辟了新的途径。研究小组由工程学院大学特聘教授、香港城市大学香港高级研究院高级研究员刘连泉教授带领。材料科学与工程系博士后张天龙博士进行了实验。他们的论文最近发表在著名的科学杂志《科学》上，题目是“通过添加剂制造进行浓度调制的先进钛合金的原位设计”。城市大学的郭威校长也为该论文撰稿
3D打印:不仅仅是一种成型技术
大多数人认为3D打印是一项革命性的技术，只需一步就能生产出复杂形状的机器零件。今年早些时候，在刘教授的指导下，张博士完成了他在城市大学的博士学位，他说:“然而，我们揭示了它在设计材料方面的重要潜力，而不仅仅是设计几何图形。
冶金学家倾向于认为合金成分缺乏均匀性是不可取的，因为这会导致不好的性能，如脆性。添加剂制造过程中的关键问题之一是如何在快速冷却过程中消除这种不均匀性。但Z hang博士之前的建模和模拟研究发现，部件中一定程度的不均匀性实际上可以产生独特且不均匀的微观结构，从而增强合金的性能。所以他试图用加法制造将这些模拟结果变为现实。
香港城市大学研究团队开发的3D打印钛合金的晶粒取向图。功劳:张天龙博士设计独特微结构
“添加剂制造的独特特性为我们设计微结构提供了更大的自由度，”张博士解释道，他也是该论文的第一作者。“具体来说，我们开发了一种部分均匀化方法，借助3D打印技术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使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在新合金中产生了元素的不均匀成分。
刘教授说:“除了使用添加剂制造之外，两种粉末混合物的成分是在新合金中创造前所未有的高亚稳态熔岩状微结构的另一个关键。这些独特的微观结构带来了极高的机械性能，使合金非常坚固但具有延展性，而且重量轻
Hon g Kong城市大学领导的研究团队开发的3D打印钛合金中的Lava状微观结构。信用:张天龙博士
实验结果表明，新型钛合金具有至高无上的力学性能。信用:张博士新奇合金:40%轻，超强
虽然不锈钢通常为每立方厘米7.9克，但新合金仅为每立方厘米4.5克，因此重量轻了约40%。在他们的实验中，具有熔岩状微观结构的钛合金表现出约1.3千兆帕斯卡的高抗拉强度和约9%的均匀伸长率。它具有超过300兆帕的出色加工硬化能力，确保断裂前有较大的安全裕度，适用于结构应用。
刘教授说:“这些优异的性能有望在各种场景中用于结构应用，例如航空航天、汽车、化工和医疗行业。
他补充说:“作为第一个使用3D打印开发具有独特微观结构和性能的新型合金的团队，我们将进一步将这一设计理念应用于不同的合金体系，进一步探索新型合金的其他性能。
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