科学驿站|中国科学家以3D打印研发出独特微观组织和性能优异的钛合金

文/羊城晚报全媒体记者 李钢

通讯员 尹姝慧、黄正华

记者从广东省科学院了解到,近日,由来自香港城市大学、广东省科学院、西安交通大学等单位科研人员成功运用3D打印技术研发出一种高强度、高塑性的钛合金。

这是一种违反直觉的3D打印策略,创造性地将成分调制的概念和3D打印结合起来赋能合金设计,即通过精心调控熔池中不同粉末的混合程度,设计出一种前所未见的微米级成分梯度结构,从而形成熔岩状组织并由此带来优异的力学性能。研究成果于近期发表于国际顶尖期刊《Science》上。

一般来说,金属材料中的成分不均匀性往往被看做重大缺陷,是研究人员一直努力避免的。这是因为,一方面人们对成分不均匀性的积极作用缺乏足够认识,另一方面传统铸造、锻造等方法通常无法有效地调控材料内部的成分波动。

3D打印,也称为增材制造,往往被看作是一种单纯的直接成型技术。很少有人会想到,3D打印过程蕴含的独特物理过程在合金设计中同样可以发挥意想不到的优势。通过早前的计算模拟研究,研究人员发现一定程度上的成分不均匀性有助于制造出独特的异构微观结构,从而提升材料的力学性能。因此,他们认为材料的成分不均匀性可以被积极利用,并成为有效的合金设计方法。

在增材制造过程中,金属粉末会发生快速的熔化和凝固,超快的冷却速度使熔池中产生的成分梯度得以成功保留。基于这种新思路,为有效调控材料内部成分波动,研究人员尝试在3D打印过程中采用两种常见合金粉末(包括不锈钢粉末)进行混合打印。通过精心选择粉末种类,以及特殊打印参数,他们成功实现了可调控的微米级成分梯度。这种微米级成分梯度不仅带来了相稳定性以及微观组织在空间上的调制,还提高了钛合金的力学性能,使其成为目前增材制造钛合金中所能实现的最小晶粒尺寸之一。

微米尺度成分梯度结构和由此产生的熔岩状微观结构

本研究工作不仅将增材制造原位合金化中的成分不均匀性“变废为宝”,成功用来设计成分非均匀的高性能合金材料,更极大地开拓了增材制造技术的想象空间,使得这项技术不仅可以用作复杂构件的成型技术,还可以被开发为一种全新的合金设计和制造方法,从而有力推动增材制造技术实现“材料-结构-性能”一体化智能设计的梦想。

中国工程院外籍院士、香港城市大学杰出教授刘锦川表示, “除了有赖于3D打印技术,两种粉末混合物的成分亦非常关键,这让我们创造出一种前所未见、具有熔岩状微观组织和高度亚稳态的新型高性能合金。独特的微观组织衍生出优异的力学性能,令合金强度高之余,同时具有高延展性,而且重量轻巧。”

“这些优异的性能有望于不同场景的结构应用大派用场,例如航空航天、汽车、化学和医疗行业。”“作为首队运用3D打印而研发出具独特微观组织及性能的新合金的研究团队,我们会继续将这设计意念,实践于不同的合金系统,以进一步研究新合金的其他性能。”

论文第一作者、香港城市大学博士后张天隆表示:“我们的研究发现,3D打印并非只能设计形状,在设计材料方面更可大有作为。”

论文第二作者、广东省科学院教授级高级工程师黄正华介绍,研究实验由广东省科学院新材料研究所与香港城市大学共建“粤港轻合金先进制造技术联合研发中心”完成。粤港联合研发中心于2018年在广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目的资助下成立,主要开展新型高性能轻合金材料与轻合金增材制造技术研究。(更多新闻资讯,请关注羊城派 pai.ycwb.com)

来源 | 羊城晚报·羊城派

责编 | 柳卓楠

(0)

相关推荐

  • BEAMIT开发3D打印轻质钛合金Ti6242工艺

    导读:由于理想的强度和重量特性,汽车和航空航天领域对高温钛合金的需求正在增加.然而,工程重量比.复杂的结构.工作温度以及钛零件的发展速度对传统制造工艺提出了挑战.因此,增材制造技术成了制造商突破这一挑 ...

  • 浅谈粉末材料与金属3D打印技术发展的关系

    金属3D打印技术自诞生之日起就与粉末材料有着密不可分的关系,可以说作为"基石"的金属粉末很大程度上决定了金属3D打印技术的成败与好坏(尽管最终质量同时也受打印设备.工艺等因素的影响 ...

  • 北京中航迈特:国产高品质3D打印钛合金粉末材料

    南极熊认为,钛合金3D打印,目前已经显示出强劲的需求势头,或许是金属3D打印最有前景的未来方向之一.   2016年8月22日,第四届钛产业先进技术交流会在成都祥宇酒店圆满落下帷幕.这是钛行业影响力最 ...

  • 旧瓶装新酒?金属浆料直写3D打印技术现状

    导读:与采用高能束熔融的3D打印技术相比,在室温/低温下对金属进行3D打印成形的技术并不常见.事实上,这类技术由于其不发热的特点,它能保持材料的原有特性,同样是一项具有优势的零件制备技术.特别是浆料直 ...

  • 国产金属3D打印球形钛粉成本大降50%,中航迈特正式投产

    南极熊导读:随着需求的猛增.技术的进步.大批量的制备,国产金属3D打印粉末材料越来越具有竞争力.中航迈特通过技术创新和突破,钛粉生产直接制造成本下降50%. 球形钛粉是SLM.EBM.LSF等金属零部 ...

  • 3D打印用金属材料的研究现状

    增材制造又称3D打印技术,是快速成形技术的一种,已经改变了现代金属制造业.本文简要介绍金属增材制造的几种技术和设备,以及增材制造用不同种类金属材料的最新发展. 3D打印主要技术 1.激光选区熔化技术( ...

  • 3000多元/Kg,3D打印金属球形粉末材料 钛合金

    下面是新上架的黑科技产品:钛合金3D打印材料,具有全球领先技术水平.看看其参数就可以学到不少知识. 球形Ti6Al4V(TC4)钛合金粉末 产品特性: 钛合金其主要性能为:密度小,比强度高:耐腐蚀.耐 ...

  • 中国禁止出口3D打印机床,技术水平领先全球

    中国禁止出口3D打印机床,技术水平领先全球

  • 占全球半壁江山,中国消费级3D打印厂商共同发声

    导读:中国的3D打印行业经过近10年的发展,无论是在规模上还是在形态上都发生了翻天覆地的变化.然而,在行业高速发展,企业纷纷占领市场的同时,问题也随之诞生.尤其对于这两年爆发式增长的消费级3D打印企业 ...

  • 观点:中国什么样的3D打印公司,可以年营收达10亿元?

    作者:韦旭刚,南极熊3D打印智库成员, 本文仅代表作者本人观点,不代表南极熊意见或建议. 一.以营收论英雄 按照公开财报数据,中国3D打印行业总体市场规模还较小,年营收最高的公司也不过3亿多元,年营收 ...

  • 曝光:中国27家3D打印公司商标遭抢注,看看都有谁?

    对于这种抢注他人商标的行为,南极熊看了都感觉到有点愤怒.曾经有人开卖"北极熊3D打印机",引起大批用户误以为是南极熊的产品,带来恶劣影响.南极熊提醒:很多3D打印机公司注册商标的时 ...

  • 中国出现了3D打印枪支

    最近,在一个3D打印展会上看到的3D打印枪支(即使是暂时不能发射子弹,也不要踩雷).请有这种打印能力的人,严格遵守有关法律法规. 虽然国务院大力支持3D打印,南极熊3D打印网不希望这种新技术,由于可能 ...

  • 中国首款3D打印汽车!用玉米做车身、只卖6.5万,老外都服了

    3D打印自从大火起来之后,小到平时喝水的杯子大到我们住的房子,几乎在所有地方都能见到它的身影.而这一次,汽车也不例外.凭借3D打印快而精准的特点,利用3D打印技术制造车辆可以实现在三天就完成所有的部件 ...

  • 科学家首次3D打印出脑肿瘤

      特拉维夫大学(TAU)的研究人员在类似大脑的环境中3D打印了首个活动性胶质母细胞瘤肿瘤,完整的血管供应肿块.这为研究人员在模拟环境中开发治疗方法来改善治疗并加快新药的开发铺平道路.   研究人员表 ...

  • 巨头入局,超35种3D打印植入物获批,生物组织打印产业前景看好【医疗3D打印上篇】

    "3D打印将给几乎所有产品的制造方式带来革命性变化."前美国总统贝拉克·侯赛因·奥巴马曾这样说过,可时至今日,奥巴马已经卸任两年了,3D打印的革新依然还在路上. 3D打印行业的发展 ...

  • 美女教师用小3D打印笔画出宏伟大教堂

    虽然开发的初衷只是一款高科技玩具,但目前,3D打印笔俨然已经成为了一件创作神器,因为它太容易使用了,即便是小孩子也能轻松掌握,而且能打印的材料相当丰富.所以迄今为止,世界上已经有不少人用这种手持式&q ...