研究人员探索更坚固、更便宜的3D打印钛合金技术

（来源：中国航空报）

　　澳大利亚皇家墨尔本理工大学的工程师们研制出一种新型3D打印钛合金，其成本比常用的钛合金低约三分之一。皇家墨尔本理工大学已就其创新方法申请了临时专利，该研究也已在《自然通讯》杂志上发表。目前，该团队正在探索为航空航天和医疗器械行业开发这种新型低成本方法的商业机会。

　　皇家墨尔本理工大学增材制造中心（RCAM）博士生兼研究主要作者瑞安·布鲁克（Ryan Brooke）表示，测试结果表明，与标准3D打印钛合金（Ti-6Al-4V）相比，他们的合金强度和性能均有所提升。

　　布鲁克介绍说：“3D打印可以实现更快、更少浪费、更具定制化的生产，但我们仍然依赖Ti-6Al4V等传统合金，无法充分利用这一潜力。新型钛合金和其他合金将使我们能够真正突破3D打印的极限，而我们研究中概述的新型合金设计框架正是朝着这个方向迈出的重要一步。”

　　Ti-6Al-4V也称为钛合金6-4或5级钛，是钛、铝和钒的混合物。它强度高、刚度高、抗疲劳性能强。然而，3D打印的Ti6Al-4V倾向于形成柱状晶粒，这意味着用这种材料制成的零件可能在某个方向上强度高，但在其他方向上强度低或强度不一致，因此可能需要与其他元素进行合金化来纠正这个问题。

　　这项研究探索了一种节省时间和成本的合金元素选择方法，以充分利用新兴的3D打印技术。同时，使用现成且更廉价的替代材料来取代日益昂贵的钒。

　　这种方法已经进行了三年的研究，评估了预测合金晶粒结构的三个关键参数，以确定增材制造配方能否生产出优质的合金：

　　•非平衡凝固范围（ΔTs）：金属在非平衡条件下凝固的温度范围。

　　•生长限制因子（Q）：凝固初期形成成分过冷的初始速率。

　　•成分过冷参数（P）：新晶粒在整个凝固过程中（而非仅在凝固初期）成核和生长的总体潜力。

　　通过这项研究，该团队通过实验验证了成分过冷参数是指导3D打印合金中合金元素选择的最可靠参数，可实现所需的晶粒结构，从而获得强度和耐久性。

　　该方法利用了大量的实验数据和计算工具，可以通过减少迭代次数和加快开发周期来节省增材制造合金开发的时间和成本。这项研究为预测增材制造中金属合金打印晶粒结构提供了一个更清晰的框架。

　　通过这种设计框架，金属打印效果也更加均匀，避免了某些3D打印合金中导致机械性能不均匀的柱状微观结构。

　　“通过开发一种更具成本效益的配方，避免了这种柱状微观结构，我们解决了阻碍3D打印广泛应用的两个关键挑战，”布鲁克说道，“我们不仅能够生产出晶粒结构均匀的钛合金，而且成本更低，同时还提高了其强度和延展性。”

　　该技术已取得令人瞩目的成果：该团队的合金由于商业原因未作详细阐述，但其生产成本比标准钛合金低29%。这可能使钛合金更容易应用于航空航天、医疗保健等行业的应用，并有可能降低高性能部件的制造和维护成本。（逸文）