颠覆传统冶金方法，香港城市大学以3D打印创造独特微观组织和性能优异的钛合金

增材制造（additive manufacturing，俗称3D打印）作为一种先进的制造解决方案，目前已经覆盖航天科技、医学健康、汽车、电子行业等应用领域。伴随着我国制造业从“中国制造”向“中国智造”过渡转型，3D打印行业呈现不断深化、应用领域不断扩大的迅速发展趋势。

据相关数据显示，我国3D打印产业规模已从2016年53.8亿元增长四倍至2021年216.5亿元，预计2023年突破400亿元。受政策利好及巨大的市场需求，国内3D打印产业发展形成了产学研一体化的发展格局。3D打印技术研发的突破，正不断为其应用领域发展带来颠覆性的影响。

3D打印是一种以数字模型文件为基础，采用与传统减材制造技术完全相反的逐层叠加材料的方式，直接制造与相应数字模型一致的三维物理实体模型的制造方法。大多数人认为，3D打印纯粹是一种一步到位地制成形状复杂组件的成型技术。不过，来自香港城市大学（以下简称：香港城大）的科学家研究发现，3D打印并非只能设计形状，在设计材料方面更大有作为。

作为过去十年来全球发展最快的大学之一，香港城大一直致力于推动知识和科技的发展。由香港城大香港高等研究院（HKIAS）资深院士刘锦川教授领导，来自香港城大材料科学及工程学系的博士后张天隆博士负责进行实验的一项研究，基于增材制造技术原理首次提出了原位合金设计制造技术，成功运用3D打印研发出了一种高强度、高延展性的新型钛合金。

▲ 香港城大的刘锦川教授（左）和张天隆博士（右）讨论如何以3D打印技术设计合金。

在材料设计和制造过程中，合金中成分分布不均匀往往导致材料的脆性等不良性能。因此在增材制造的过程中，人们关注的一个重点是如何在快速冷却期间，杜绝合金成分的不均匀分布和偏析。然而，根据张博士之前的模型计算及模拟研究发现，一定程度的成分分布不均匀，反而更有助制造出独特和异质的微观组织，从而提升材料的性能。其研发团队最终利用增材制造技术设计全新合金，成功实现了模拟结果。

香港城大研发团队为合金设计另辟蹊径，透过3D打印技术研究出一种部分均质化（partial homogenisation）的方法，制造出具有微米尺度浓度梯度（concentration gradients）的合金，这是所有传统材料制造方式都无法做到的。由于在增材制造过程中，金属粉末会快速熔化和凝固，超快的冷却速度，能够使在熔池中产生的成分梯度成功保留下来。

▲香港城大研究团队用3D打印研发的钛合金，内含图中所示的熔岩状微观组织。

基于3D打印技术和原位合金化方法的工艺优化，香港城大研发团队运用聚焦激光束，去熔化及混合两种不同的合金粉末，即其为钛合金以及不锈钢粉末。通过精心调控3D打印过程中的激光功率、扫描速度等参数，在新研发合金中调控得到理想的合金元素的不均匀分布状态，成功创造出一种具有熔岩状微观组织和高度亚稳态（metastability）的新型高性能合金。这种独特的微观组织衍生出优异的力学性能，令合金高强度之余，同时具有高延展性，而且重量轻巧。

▲ 香港城大研究团队创造出一种前所未见、具有熔岩状微观组织的新合金，这种微观组织令合金衍生出优异的力学性能。

一般不锈钢每立方厘米的重量是7.9克，该新型合金每立方厘米的重量则只有4.5克，足足轻了近40%。香港城大研发团队的实验结果显示，具熔岩状微观组织的钛合金展示出约1.3GPa的高拉伸强度，以及高达约9%的均匀延伸率，兼且有逾300MPa的优异加工硬化能力（work-hardening capacity）。优异加工硬化能力意味着材料断裂之前，有大范围的安全裕度边距，有利于结构性的应用，大大提高了结构材料的性能和服务可靠性，并拓展了3D打印技术的应用空间。

▲ 3D打印的钛合金具有优异的力学性能。

本次研究在香港城大、香港高等研究院、国家重点研发计划、中国国家自然科学基金、广东省科学院以及美国国家科学基金会的资助下进行。研究成果已经获得“美国 17/012，507”专利，并已于权威学术期刊《科学》 （Science）上发表了题为〈In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing〉的论文。

除了有效减少合金设计和制造的时间和成本，减少生产过程中的材料能源浪费和碳排放之外，新型合金设计和制造方法稳定可靠，可迅速扩展到大规模零件制造场景，其优异的性能将有望在例如航空航天、汽车、化学和医疗行业等不同场景的结构应用中发挥重大作用。作为首队运用3D打印研发出具独特微观组织及性能新合金的研究团队，香港城大研发团队未来也将全力把研发技术实践于不同的合金系统，以进一步研究新合金的其他性能。

3D打印有助推动传统产业转型升级，一直被誉为是引领“第三次工业革命”的新兴产业。在政策高度支持下，如今已然成为国内各大企业争相投资的热点，未来市场将进入长期快速增长通道。行业相关企业现在也可通过由香港特区政府创新科技署启动的“创新意念‧汇聚香港”网站https://www.innovationhub.hk/zh-cn，了解香港城大3D打印新型合金研发成果的更多资讯和联系合作。

“创新意念‧汇聚香港”网站旨在凝聚展示香港公营科研机构、大学研发成果，推动研发成果在粤港澳大湾区乃至全球各地落地。湾区企业现可通过该网站，一站式了解香港近370项研发成果并联系相关科研机构，探讨其研究成果可如何协助企业转型升级。

出版日期：2023-06-06
資訊來源：科技前沿