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

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態鈦合金?！斑@種獨特的微觀結構給合金帶來了優異的力學性能和細小的晶粒結構，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/>

增材制造，也稱為3D打印，是現代制造業中的一項革命性技術。過去十年間金屬材料的增材制造技術取得了從快速原型制作、小規模生產到大規模工業化生產的蓬勃發展。

3D打印往往被看做是一種單純的直接成型技術。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計中同樣可以發揮意想不到的優勢。

在此，來自香港城市大學的張天隆博士在國際著名材料科學家劉錦川院士的指導下，創造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調控熔池中不同粉末的混合程度，設計出一種前所未見的微米級成分梯度結構，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優異的力學性能。

研究人員認為，該研究開拓了增材制造技術的想象空間，使其可以被開發為一種全新的合金設計和制造方法，推動增材制造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。

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識，另一方面傳統方法通常無法有效地調控材料內部的成分波動。

通過早前的計算模擬研究，研究人員發現一定程度上的成分不均勻性有助于制造出獨特的異構微觀結構，從而提升材料的力學性能。因此，他們認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計方法。

微米尺度成分梯度結構和由此產生的熔巖狀微觀結構。

獨特的微觀結構

為了有效調控合金內部的成分波動，研究人員采用了增材制造技術。因為在增材制造過程中，金屬粉末會發生快速的熔化和凝固。由于超快的冷卻速度，在熔池中產生的成分梯度得以成功保留。

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，他們成功實現了可調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定性以及微觀組織在空間上的調制，還提高了鈦合金的力學性能，使其成為目前增材制造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一。

綜上所述，研究者創造性地將成分調制的概念和3D打印結合起來，另辟蹊徑地設計出具有微米級成分梯度結構的合金設計策略。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的想象空間，使得這項技術不僅僅被用作復雜構件的成型技術，更可以被開發為一種全新的合金設計和制造方法，從而有力地推動增材制造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。

論文第一作者、香港城市大學材料科學及工程學系博士后張天隆表示，“在這項研究中，我們不僅設計出了一種新型高性能材料，更揭示了3D打印技術在材料設計上也可以大有作為?！边@些優異的性能使其在各種情況下都有很好的結構應用前景，例如航空航天、汽車、化工和醫療行業?！?br/>
“作為首個運用3D打印特點，研發出具有獨特微觀結構及性能的新合金的研究團隊，我們會繼續將這種全新的合金設計理念應用于不同的合金系統。”劉錦川說。