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3D新聞

3D打印賦能合金設(shè)計和材料性能

星之球科技 來源:香港城市大學(xué)2021-12-27 我要評論(0 )   

近日,中國工程院外籍院士、香港城市大學(xué)教授劉錦川團隊成功運用增材制造技術(shù)研發(fā)出一種高強度、高塑性的鈦合金。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。劉錦川表示,這是一種具...

近日,中國工程院外籍院士、香港城市大學(xué)教授劉錦川團隊成功運用增材制造技術(shù)研發(fā)出一種高強度、高塑性的鈦合金。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。

劉錦川表示,這是一種具有前所未見的熔巖狀微觀組織的亞穩(wěn)態(tài)鈦合金。“這種獨特的微觀結(jié)構(gòu)給合金帶來了優(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度的同時仍然有極高的均勻變形能力,并保持鈦合金的低密度?!?br/>

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增材制造,也稱為3D打印,是現(xiàn)代制造業(yè)中的一項革命性技術(shù)。過去十年間金屬材料的增材制造技術(shù)取得了從快速原型制作、小規(guī)模生產(chǎn)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展。

3D打印往往被看做是一種單純的直接成型技術(shù)。然而很少有人會想到,3D打印過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設(shè)計中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢。

在此,來自香港城市大學(xué)的張?zhí)炻〔┦吭趪H著名材料科學(xué)家劉錦川院士的指導(dǎo)下,創(chuàng)造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略,即通過精心調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度,設(shè)計出一種前所未見的微米級成分梯度結(jié)構(gòu),從而形成熔巖狀組織并由此帶來優(yōu)異的力學(xué)性能。

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研究人員認(rèn)為,該研究開拓了增材制造技術(shù)的想象空間,使其可以被開發(fā)為一種全新的合金設(shè)計和制造方法,推動增材制造技術(shù)實現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計的夢想。

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(rèn)識,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)方法通常無法有效地調(diào)控材料內(nèi)部的成分波動。

通過早前的計算模擬研究,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)計方法。


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微米尺度成分梯度結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)。


獨特的微觀結(jié)構(gòu)

為了有效調(diào)控合金內(nèi)部的成分波動,研究人員采用了增材制造技術(shù)。因為在增材制造過程中,金屬粉末會發(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。

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基于這種新思路,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。通過精心選擇的粉末種類,以及特殊的打印參數(shù),他們成功實現(xiàn)了可調(diào)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(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,使其成為目前增材制造鈦合金中所能實現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一。

綜上所述,研究者創(chuàng)造性地將成分調(diào)制的概念和3D打印結(jié)合起來,另辟蹊徑地設(shè)計出具有微米級成分梯度結(jié)構(gòu)的合金設(shè)計策略。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(shè)計成分非均勻的高性能合金材料,更是極大地開拓了增材制造技術(shù)的想象空間,使得這項技術(shù)不僅僅被用作復(fù)雜構(gòu)件的成型技術(shù),更可以被開發(fā)為一種全新的合金設(shè)計和制造方法,從而有力地推動增材制造技術(shù)實現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計的夢想。

論文第一作者、香港城市大學(xué)材料科學(xué)及工程學(xué)系博士后張?zhí)炻”硎?,“在這項研究中,我們不僅設(shè)計出了一種新型高性能材料,更揭示了3D打印技術(shù)在材料設(shè)計上也可以大有作為。”這些優(yōu)異的性能使其在各種情況下都有很好的結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景,例如航空航天、汽車、化工和醫(yī)療行業(yè)。”

“作為首個運用3D打印特點,研發(fā)出具有獨特微觀結(jié)構(gòu)及性能的新合金的研究團隊,我們會繼續(xù)將這種全新的合金設(shè)計理念應(yīng)用于不同的合金系統(tǒng)?!眲㈠\川說。


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