以3D打印設計具獨特微觀組織和性能優異的鈦合金

由香港城市大學（香港城大）科學家領導的一項研究，成功運用增材製造（additive manufacturing，即俗稱的3D打印）研發出一種高強度、高延展性的新型鈦合金。研究成果為合金設計另闢蹊徑，令合金能具有前所未見的組織和性能，可以應用於先進結構材料。

該研究團隊由香港城大工學院大學傑出教授兼香港高等研究院（HKIAS）資深院士劉錦川教授領導，來自香港城大材料科學及工程學系（MSE）的博士後張天隆博士負責進行實驗。該研究成果剛於權威學術期刊《科學》 （Science）上發表，題為〈In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing〉。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2021/10/22/innovative-design-titanium-alloy-supreme-properties-3d-printing 

3D打印：不單是成型的技術

大多數人認為，3D打印純粹是一種一步到位地製成形狀複雜組件的成型技術。「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，於今年在香港城大完成了博士課程。

冶金學家一貫認為，在材料設計和製造過程中，應盡力避免合金中成分分佈不均勻的情況，因為這往往會導致材料的脆性等不良性能。因此在增材製造的過程中，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佈和偏析。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佈，反而更有助製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製造技術設計全新合金，將這些模擬結果實現出來。

設計獨特的微觀組織

張博士解釋說：「增材製造的獨特特性，賦予我們更大自由度去設計微觀組織。具體而言，透過3D打印技術，我們研究出一種部分均質化（partial homogenisation）的方法，以製造出具有微米尺度濃度梯度（concentration gradients）的合金，這是所有傳統材料製造方式所做不到的。」由於在增材製造過程中，金屬粉末會發生快速的熔化和凝固。超快的冷卻速度，能夠使在熔池中産生的成分梯度，得以成功地保留下來。

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，其為鈦合金以及不銹鋼粉末。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佈狀態。

劉教授說：「除了有賴于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，令合金強度高之餘，同時具有高延展性，而且重量輕巧。」

新型合金：重量輕40%而且強度高

一般不銹鋼每立方厘米的重量是7.9克，該新型合金每立方厘米的重量則只有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1.3 GPa的高拉伸強度，以及高達約9%的均匀延伸率，兼且有逾300 Mpa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，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、香港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。同樣來自香港城大的欒軍華博士、王安定博士、江豪杰博士亦有參與研究。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。

是次研究獲得香港城大、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。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2021/10/22/innovative-design-titanium-alloy-supreme-properties-3d-printing