以3D打印設計具獨特微觀組織和性能優異的鈦合金

大多數人認為，3D打印純粹是一種一步到位地制成形狀復雜組件的成型技術。「不過，我們的研究發現，3D打印並非只能設計形狀，在設計材料方面更可大有作為。」這篇論文的第一作者張博士說。他在劉教授指導下，於今年在城大完成了博士課程。

冶金學家一貫認為，在材料設計和制造過程中，應盡力避免合金中成分分布不均勻的情況，因為這往往會導致材料的脆性等的不良性能。因此在增材制造的過程中，人們關注的一個重點就是如何在快速冷卻期間，杜絕合金成分的不均勻分布和偏析。不過，根據張博士之前的模型計算及模擬研究發現，一定程度的成分不均勻分布，反而更有助制造出獨特和異質的微觀組織，從而提升材料的性能。於是張博士嘗試利用增材制造技術設計全新合金，將這些模擬結果實現出來。

研究團隊提出的方法，便是運用聚焦激光束，去熔化及混合兩種不同的合金粉末，其為鈦合金以及不鏽鋼粉末。通過精心調控3D打印過程中的激光功率、掃描速度等參數，團隊成功在新研發合金中調控得到理想的合金元素的不均勻分布狀態。

劉教授說：「除了有賴於3D打印技術，兩種粉末混合物的成分亦非常關鍵，這讓我們創造出一種前所未見、具有熔岩狀微觀組織和高度亞穩態（metastability）的新型高性能合金。獨特的微觀組織衍生出優異的力學性能，令合金強度高之余，同時具有高延展性，而且重量輕巧。」

 

一般不鏽鋼每立方釐米的重量是7.9克，該新型合金每立方釐米的重量則只有4.5克，足足輕了近40%。團隊的實驗結果顯示，具熔岩狀微觀組織的鈦合金展示出約1.3GPa的高拉伸強度，以及高達約9%的均勻延伸率，兼且有逾300MPa的優異加工硬化能力（work-hardening capacity）。優異加工硬化能力意味著材料斷裂之前，有大範圍的安全裕度邊距，有利於結構性的應用。

劉教授說：「這些優異的性能有望於不同場景的結構應用大派用場，例如航空航天、汽車、化學和醫療行業。」

他並補充說：「作為首隊運用3D打印而研發出具獨特微觀組織及性能的新合金的研究團隊，我們會繼續將這設計意念，實踐於不同的合金系統，以進一步研究新合金的其他性能。」

劉教授、城大材料科學及工程學系的楊濤博士，以及來自俄亥俄州立大學的王雲志教授是論文的通訊作者。來自城大的欒軍華博士、王安定博士、江豪傑博士亦有參與研究。其他研究人員是來自廣東省科學院的黃正華教授，以及西安交通大學的王棟博士。

是次研究獲得城大、香港高等研究院、國家重點研發計劃、中國國家自然科學基金、廣東省科學院，以及美國國家科學基金會的資助而進行。