3D 打印技术打造强度最高的钛合金

[导读]莫纳什大学工程师领导的一项世界首创研究展示了尖端 3D 打印技术如何用于生产超强商用钛合金——这是航空航天、航天、国防、能源和生物医学行业的重大飞跃。

3D打印(3DP)即快速成型技术的一种，又称增材制造 [1] ，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。

钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属。钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。

钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。

强度高

钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右，仅为钢的60%，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

莫纳什大学工程师领导的一项世界首创研究展示了尖端 3D 打印技术如何用于生产超强商用钛合金——这是航空航天、航天、国防、能源和生物医学行业的重大飞跃。

由莫纳什大学黄爱军教授和朱玉曼博士领导的澳大利亚研究人员使用 3D 打印方法来操纵新型微观结构。通过这样做，他们获得了前所未有的机械性能。

这项发表在Nature Materials上的研究是在市售合金上进行的，可以立即应用。

“钛合金需要复杂的铸造和热机械加工才能达到某些关键应用所需的高强度。我们发现增材制造可以利用其独特的制造工艺在商用钛合金中制造出超强和热稳定的零件，这些零件可以直接实施在职，”黄教授说。

“在对商业钛合金进行简单的后热处理后，达到了超过 1,600 MPa 的足够伸长率和抗拉强度，这是迄今为止所有 3D 打印金属中最高的比强度。这项工作为制造具有独特微观结构的结构材料和广泛应用的优异性能。”

在过去的十年中，3D 打印凭借其几乎可以制造任何几何形状部件的设计自由度引领了金属制造的新时代。

钛合金目前是航空航天业领先的 3D 打印金属部件。然而，大多数通过 3D 打印制造的商用钛合金在许多结构应用中都没有令人满意的性能，尤其是它们在室温和高温下恶劣使用条件下的强度不足。