科学家3D打印出高强度高塑性钛合金

中国工程院外籍院士、香港城市大学教授刘锦川团队创造性地提出了一种3D打印策略，通过调控熔池中不同粉末的混合程度，研发出一种高强度、高塑性的钛合金。相关研究成果日前发表于《科学》。

一般来说，金属材料中的成分不均匀性往往被视为重大缺陷，是研究人员一直努力避免的—— 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，传统方法通常无法有效调控材料内部的成分波动。

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。

为调控合金内部的成分波动，研究人员采用了3D打印技术。这是一种单纯的直接成型技术，但很少有人想到将其运用到合金设计中。在3D打印过程中，金属粉末会发生快速的熔化和凝固。由于超快的冷却速度，在熔池中产生的成分梯度得以成功保留。

基于这种新思路，研究人员尝试在3D打印过程中将两种常见合金粉末（包括不锈钢粉末）进行混合打印。通过精心选择的粉末种类以及特殊的打印参数，他们实现了可调控的微米级成分梯度。

刘锦川表示，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3D打印钛合金中所能实现的最小晶粒尺寸之一。

刘锦川说，这是一种具有熔岩状微观组织的亚稳态钛合金。“这种独特的微观结构给合金带来了优异的力学性能和细小的晶粒结构，使合金在拥有超高强度的同时仍有极高的均匀变形能力，并保持钛合金的低密度。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abj3770