新3D打印工艺带来的新型“Designer”钛合金可由废料制成

钛合金价格昂贵，但非常有用的材料经常用于需要高强度、低重量以及耐腐蚀和耐高温的工况。 它们经常出现在航空航天、高端汽车、建筑、体育、工业和健康应用中。一种新颖的3D打印工艺开辟了一类新的坚固、延展、性状可调的钛合金，这种钛合金有可能由废料制成，无需钒等昂贵的添加剂，这种工艺也适用于锆、铌和钼材料。

由澳大利亚皇家墨尔本理工大学领导的一个研究小组与悉尼大学、香港理工大学和墨尔本的 Hexagon Manufacturing intelligence 合作，他们已经开发出一种根本不同的方法来制造与钛/钒一样坚固和实用的新型钛合金 /铝合金，但使用廉价、丰富的氧和铁代替更昂贵的金属。

这与标准钛合金制造大相径庭。 该团队表示，氧气对于钛的α相来说是一种很好的稳定剂和强化剂，但它也会使其变脆和开裂——因此它被称为钛的“氪石”。 工业钛合金的经验设计规则将氧含量限制在 0.12% 到 0.72% 之间，具体取决于制造的合金，而铝通常用于此目的。

同样，铁不仅价格低廉而且储量丰富，而且还是稳定 β 相钛的第二轻候选物。 但它往往会导致 β-钛以大斑点的形式聚集在一起，大小可达厘米，从而导致最终金属出现结构缺陷。 所以它也受到严格控制，在大多数工业合金制造中保持在 2% 以下。

但该团队发现，通过将合金混合作为称为激光金属粉末定向能量沉积的 3D 打印工艺的一部分，能够消除这些缺点，这使他们能够在铺设材料时仔细注意材料的微观结构。

来自新型 3D 打印合金的 alpha-beta 相间界面的原子级微观结构，几乎所有的氧都在 α 相晶体中，几乎所有的铁都在 β 相晶体中

他们使用氧和铁作为稳定剂制造并印刷了一系列合金，并以多种方式对其进行了测试，发现它们能够与商用钛合金的强度和延展性相媲美。 通过 3D 打印，这些新合金可以精确地制成所需的形状——但金属的特性也可以根据您的制造进行定制——因此获得了“Designer”钛合金的绰号。

“这项研究提供了一种新的钛合金系统，该系统具有广泛且可调的机械性能、高可制造性、巨大的减排潜力以及对同类系统材料设计的见解，”联合首席研究员和悉尼大学副教授说 -校长西蒙林格教授在新闻稿中。

“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，”他解释说。“我们在α-钛相中设计了纳米级的氧梯度，具有高- 坚固的氧链段和延展性的低氧链段使我们能够控制局部原子键合，从而减轻脆化的可能性。”

氧脆性不仅是钛的问题——它也是阻止钛用于锆、铌、钼和其他金属的关键因素。 研究人员认为，对于这些其他金属，同样的过程可能是可行的，但还需要进一步的研究。

除了限制昂贵金属的使用外，这项技术还可以通过使用目前被认为是低品位的回收工业废料和材料来降低钛合金的成本。

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“正处于一段重要旅程的开始，从这里证明我们的新概念，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。 工业界有可能利用我们的方法再利用废海绵钛-氧-铁合金、‘不合格’的回收高氧钛粉或由高氧废钛制成的钛粉。”

这项研究在《自然》杂志上是开放获取的。