3D 打印技術(shù)打造強度最高的鈦合金

3D打印(3DP)即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造 [1] ，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工(AEC)、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍(lán)圖變成實物。這打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。

鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬。鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金強度高、耐蝕性好、耐熱性高。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金。

鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，最純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過0.1%，但其強度低、塑性高。

強度高

鈦合金的密度一般在4.51g/cm3左右，僅為鋼的60%，一些高強度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機的發(fā)動機構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

莫納什大學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的一項世界首創(chuàng)研究展示了尖端 3D 打印技術(shù)如何用于生產(chǎn)超強商用鈦合金——這是航空航天、航天、國防、能源和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的重大飛躍。

由莫納什大學(xué)黃愛軍教授和朱玉曼博士領(lǐng)導(dǎo)的澳大利亞研究人員使用 3D 打印方法來操縱新型微觀結(jié)構(gòu)。通過這樣做，他們獲得了前所未有的機械性能。

這項發(fā)表在Nature Materials上的研究是在市售合金上進(jìn)行的，可以立即應(yīng)用。

“鈦合金需要復(fù)雜的鑄造和熱機械加工才能達(dá)到某些關(guān)鍵應(yīng)用所需的高強度。我們發(fā)現(xiàn)增材制造可以利用其獨特的制造工藝在商用鈦合金中制造出超強和熱穩(wěn)定的零件，這些零件可以直接實施在職，”黃教授說。

“在對商業(yè)鈦合金進(jìn)行簡單的后熱處理后，達(dá)到了超過 1,600 MPa 的足夠伸長率和抗拉強度，這是迄今為止所有 3D 打印金屬中最高的比強度。這項工作為制造具有獨特微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料和廣泛應(yīng)用的優(yōu)異性能?！?

在過去的十年中，3D 打印憑借其幾乎可以制造任何幾何形狀部件的設(shè)計自由度引領(lǐng)了金屬制造的新時代。

鈦合金目前是航空航天業(yè)領(lǐng)先的 3D 打印金屬部件。然而，大多數(shù)通過 3D 打印制造的商用鈦合金在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中都沒有令人滿意的性能，尤其是它們在室溫和高溫下惡劣使用條件下的強度不足。

“我們的研究結(jié)果為商用合金的沉淀強化提供了一種全新的方法，可用于生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的真實部件以用于承重應(yīng)用。迄今為止，任何鈦合金都沒有這種應(yīng)用，”黃教授說。

“3D打印加上簡單的熱處理也意味著與其他強度相似的材料相比，工藝成本大大降低。”

這項工作的發(fā)現(xiàn)有望導(dǎo)致對物理冶金領(lǐng)域強化和位錯工程原理的基本見解。

各國都在開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金，努力使鈦合金進(jìn)入具有巨大市場潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域。