研究人員利用激光定向能量沉積3D打印開發新型可持續鈦合金
時間：2023-07-12 10:15 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2023年7月11日，皇家墨爾本理工大學和悉尼大學的研究人員，與香港理工大學和瑞典軟件開發商Hexagon的制造智能部門合作，成功開發出一種新型的鈦合金材料。這一研究成果為鈦合金在多個領域的應用打開了新的可能性，并為實現更可持續的制造方法提供了有益的啟示。
新型3D打印鈦合金有什么作用？
這種鈦合金具有堅固、延展、可調和可持續的特性。傳統制造鈦合金的成本很高，而這項研究為新型的高性能鈦合金提供了潛力，可在航空航天、生物醫學、化學工程、太空和能源等領域應用。該研究團隊采用了合金和3D打印工藝設計相結合的方法，利用激光定向能量沉積（L-DED）技術從金屬粉末中3D打印出這種新型鈦合金。這種創新的制造過程使得鈦合金的生產更加可持續和經濟實惠。
Song補充道："我們有理由感到興奮，3D打印提供了一種完全不同的制造新型合金的方法，并且與傳統方法相比具有明顯的優勢。工業界有一個潛在的機會，可以利用我們的方法重新利用廢棄海綿鈦氧鐵合金、“不合格”的回收高氧鈦粉或由高氧廢鈦制成的鈦粉。"
開發新合金過程中遇到的挑戰
該團隊的合金由兩種形式的鈦晶體組成，即α-鈦相和β-鈦相的混合物，被稱為Ti-6Al-4V。每種形式對應著特定的原子排列。Ti-6Al-4V是最常見的鈦合金，在傳統生產方法中使用6%的鋁和4%的釩，占據了鈦合金市場超過50%的份額。而這項新研究則使用氧和鐵代替了鋁和釩。除了易獲取和成本較低外，這些元素還是α-鈦相和β-鈦相的兩種最有效的穩定劑和強化劑。
傳統上，含有高含量的鈦和氧的鈦合金面臨著發展和采用上的挑戰。Qian評論道：“一個挑戰是氧，通俗地描述為‘鈦的氪石’，會導致鈦變脆；另一個挑戰是添加鐵可能導致大片β-鈦相形態的嚴重缺陷。”
采用L-DED 3D打印技術使研究人員成功克服挑戰
L-DED 3D打印通常用于制造大型復雜零件，它使得科學家們能夠調整合金的機械性能。他們成功地在合金中創建了納米級的鈦晶體，并精確控制了氧和鐵原子的分布。這使得合金的某些區域非常堅固，而其他區域具有延展性，確保材料在受力時不會變脆。該團隊使用了Hexagon的Simufact Welding軟件中的DED模塊，以3D打印和測試了一系列這樣的構件。經過測試，研究人員發現他們的合金在延展性和強度上可以與其他商業鈦合金媲美。
悉尼大學的聯合首席研究員Simon Ringer教授解釋說：“關鍵的推動因素是氧和鐵原子在α-鈦相和β-鈦相之間以及內部的獨特分布。我們在α-鈦相中設計了納米級的氧梯度，包括堅固的高氧區域和具有延展性的低氧區域，這使我們能夠控制局部原子鍵合，從而減輕脆性問題。”
△激光定向能量沉積3D打印的鈦合金微觀結構示意
新型3D打印鈦合金有什么作用？
這種鈦合金具有堅固、延展、可調和可持續的特性。傳統制造鈦合金的成本很高，而這項研究為新型的高性能鈦合金提供了潛力，可在航空航天、生物醫學、化學工程、太空和能源等領域應用。該研究團隊采用了合金和3D打印工藝設計相結合的方法，利用激光定向能量沉積（L-DED）技術從金屬粉末中3D打印出這種新型鈦合金。這種創新的制造過程使得鈦合金的生產更加可持續和經濟實惠。
△Tingting Song（左）和Ma Qian（右）
皇家墨爾本理工大學的首席研究員Ma Qian教授表示，他們將循環經濟的理念融入到設計中。這種新型合金可以使用廢品和低級材料進行生產，無需昂貴的添加劑如釩和鋁，而是采用廉價且豐富的氧氣和鐵。Qian教授解釋說："廢物和低質量材料的再利用，有可能增加經濟價值并減少鈦行業的高碳足跡。"該研究的主要作者是皇家墨爾本理工大學的博士Tingting Song。她表示，該團隊正處于一個重要的階段，從驗證他們的新概念到實現工業應用。Song補充道："我們有理由感到興奮，3D打印提供了一種完全不同的制造新型合金的方法，并且與傳統方法相比具有明顯的優勢。工業界有一個潛在的機會，可以利用我們的方法重新利用廢棄海綿鈦氧鐵合金、“不合格”的回收高氧鈦粉或由高氧廢鈦制成的鈦粉。"
開發新合金過程中遇到的挑戰
該團隊的合金由兩種形式的鈦晶體組成，即α-鈦相和β-鈦相的混合物，被稱為Ti-6Al-4V。每種形式對應著特定的原子排列。Ti-6Al-4V是最常見的鈦合金，在傳統生產方法中使用6%的鋁和4%的釩，占據了鈦合金市場超過50%的份額。而這項新研究則使用氧和鐵代替了鋁和釩。除了易獲取和成本較低外，這些元素還是α-鈦相和β-鈦相的兩種最有效的穩定劑和強化劑。
傳統上，含有高含量的鈦和氧的鈦合金面臨著發展和采用上的挑戰。Qian評論道：“一個挑戰是氧，通俗地描述為‘鈦的氪石’，會導致鈦變脆；另一個挑戰是添加鐵可能導致大片β-鈦相形態的嚴重缺陷。”
△該團隊通過激光定向能量沉積（L-DED）技術，成功在新型合金的α-β相界面上實現了原子級微觀結構的3D打印
采用L-DED 3D打印技術使研究人員成功克服挑戰
L-DED 3D打印通常用于制造大型復雜零件，它使得科學家們能夠調整合金的機械性能。他們成功地在合金中創建了納米級的鈦晶體，并精確控制了氧和鐵原子的分布。這使得合金的某些區域非常堅固，而其他區域具有延展性，確保材料在受力時不會變脆。該團隊使用了Hexagon的Simufact Welding軟件中的DED模塊，以3D打印和測試了一系列這樣的構件。經過測試，研究人員發現他們的合金在延展性和強度上可以與其他商業鈦合金媲美。
悉尼大學的聯合首席研究員Simon Ringer教授解釋說：“關鍵的推動因素是氧和鐵原子在α-鈦相和β-鈦相之間以及內部的獨特分布。我們在α-鈦相中設計了納米級的氧梯度，包括堅固的高氧區域和具有延展性的低氧區域，這使我們能夠控制局部原子鍵合，從而減輕脆性問題。”
(責任編輯：admin)
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