近日，來自香港城市大學、廣東省科學院、西安交通大學等單位科研人員成功運用3D打印技術研發出一種高強度、高塑性的鈦合金。這是一種違反直覺的3D打印策略，創造性地將成分調制的概念和3D打印結合起來賦能合金設計，即通過精心調控熔池中不同粉末的混合程度，設計出一種前所未見的微米級成分梯度結構，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優異的力學性能。研究成果以“In situ design of advanced titanium alloy with concentration modul-ations by additive manufacturing”為題發表于國際頂尖期刊《Science》上。

《Science》：“3D打印+成分調制”賦能合金設計

 一般來說，金屬材料中的成分不均勻性往往被看做重大缺陷，是研究人員一直努力避免的。這是因為，一方面人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認識，另一方面傳統鑄造、鍛造等方法通常無法有效地調控材料內部的成分波動。

3D打印，也稱為增材制造，往往被看作是一種單純的直接成型技術。很少有人會想到，3D打印過程蘊含的獨特物理過程在合金設計中同樣可以發揮意想不到的優勢。通過早前的計算模擬研究，研究人員發現一定程度上的成分不均勻性有助于制造出獨特的異構微觀結構，從而提升材料的力學性能。因此，他們認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計方法。

在增材制造過程中，金屬粉末會發生快速的熔化和凝固，超快的冷卻速度使熔池中產生的成分梯度得以成功保留。基于這種新思路，為有效調控材料內部成分波動，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（包括不銹鋼粉末）進行混合打印。通過精心選擇粉末種類，以及特殊打印參數，他們成功實現了可調控的微米級成分梯度。這種微米級成分梯度不僅帶來了相穩定性以及微觀組織在空間上的調制，還提高了鈦合金的力學性能，使其成為目前增材制造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一。

本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性“變廢為寶”，成功用來設計成分非均勻的高性能合金材料，更極大地開拓了增材制造技術的想象空間，使得這項技術不僅可以用作復雜構件的成型技術，還可以被開發為一種全新的合金設計和制造方法，從而有力推動增材制造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。

廣東省科學院新材料研究所的金屬3D打印裝備及打印的試樣

相關研究由中國工程院外籍院士、香港城市大學杰出教授劉錦川（C.T. Liu）指導，劉錦川表示， “除了有賴于3D打印技術，兩種粉末混合物的成分亦非常關鍵，這讓我們創造出一種前所未見、具有熔巖狀微觀組織和高度亞穩態的新型高性能合金。獨特的微觀組織衍生出優異的力學性能，令合金強度高之余，同時具有高延展性，而且重量輕巧。”“這些優異的性能有望于不同場景的結構應用大派用場，例如航空航天、汽車、化學和醫療行業。”“作為首隊運用3D打印而研發出具獨特微觀組織及性能的新合金的研究團隊，我們會繼續將這設計意念，實踐于不同的合金系統，以進一步研究新合金的其他性能。”

論文第一作者、香港城市大學博士后張天隆表示：“我們的研究發現，3D打印并非只能設計形狀，在設計材料方面更可大有作為。”

論文第二作者、廣東省科學院教授級高級工程師黃正華介紹，研究實驗由廣東省科學院新材料研究所（前身為廣東省材料與加工研究所）與香港城市大學共建“粵港輕合金先進制造技術聯合研發中心”完成。粵港聯合研發中心于2018年在廣東省科學院建設國內一流研究機構行動專項資金項目的資助下成立，主要開展新型高性能輕合金材料與輕合金增材制造技術研究。

論文信息：

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.

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770

拓展閱讀：

粵港輕合金先進制造技術聯合研發中心揭牌儀式

粵港輕合金先進制造技術聯合研發中心

2018年底，在廣東省科學院建設國內一流研究機構行動專項資金項目（2019GDASYL-0203002）的資助下，廣東省科學院新材料研究所（前身為廣東省材料與加工研究所）與香港城市大學開始共建“粵港輕合金先進制造技術聯合研發中心”，聯合開展新型高性能輕合金材料及先進成形、加工技術的研究。

省科學院高度重視粵港合作建設，省科學院黨委副書記顏國榮親臨“粵港輕合金先進制造技術聯合研發中心”成立揭牌現場并寄予期望“希望省材料加工所充分發揮好這一重要平臺作用，聚焦輕合金材料領域，開展應用基礎研究與技術創新，提升研究所在輕合金材料領域的科研實力和影響力”。

近三年來，研發中心已解決了數項輕合金的共性基礎理論，攻克了數項輕合金產業關鍵共性技術，形成了一批可輻射粵港輕合金鑄造和加工企業的先進制造技術，已初步建成研發水平一流、自主創新能力突出、產業化示范推廣能力強、在國內和香港同行業中有影響力、可參與國際科技交流合作、為行業發展提供技術支撐的研發基地、人才培養基地和產業化示范推廣基地，提升了廣東省科學院學科領域綜合創新能力和發揮了在粵港澳大灣區建設中的創新樞紐作用。

 供稿：黃正華