今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金 - 3D打印技术参考

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金

                   

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3D打印的钛合金已经在许多领域获得应用。然而,该材料在和激光的相互作用中,高冷却速率和高温度梯度通常会产生非常精细的微观结构,并趋向于几乎完全的柱状晶粒生长。复杂的热力学环境使得钛合金在3D打印过程中容易变形和开裂,并且材料通常具有各向异性。即使通过对工艺参数的优化也难以促进晶粒等轴生长。与其他常见的工程合金相比,目前还没有商业化的钛合金晶粒细化剂能够有效地细化其组织。

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金新型3D打印超强钛合金—TiCu

近日,Nature刊载了由皇家墨尔本理工大学、俄亥俄州立大学、英联邦科学和工业研究组织以及昆士兰大学等多家机构的联合研究成果,他们共同开发了一款新型的钛铜合金3D打印材料,它的打印态显示出与常规使用的Ti6Al4V相当的机械性能,并且不易变形和开裂。而第一作者Duyao Zhang疑似中国留学生

3D打印过程获得完全等轴细晶粒组织,具有更高性能

这种专门开发的钛铜合金因在凝固过程中的元素分配而具有较高的组织过冷能力,它可以克服激光熔化过程中的高温度梯度,而无需任何特殊的工艺控制或其他热处理手段,在3D打印的过程中就可以形成完全的等轴细晶粒组织。相比于传统3D打印的柱状晶结构,这种结构的性能更加优异。

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金实验用的通快3D打印机

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金3D打印的Ti6Al4V和TiCu8.5组织结构,上图为沿打印方向粗大的柱状晶结构,下图为细密的等轴晶

与在类似加工条件下的常规合金相比,完全等轴晶粒组织显示出优秀的力学性能,如高屈服强度和均匀的伸长率,这归因于高冷却速率和多次热循环而形成的超细共析微结构。这种具有微观结构的合金可以承受更大的力,在制造过程中也不太可能出现裂纹或变形等缺陷。

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金不同成分的TiCu合金机械性能

同时,研究人员认为这种方法也将适用于其他能够形成共析金属的合金材料,并将在航空航天和生物医学行业中得到应用。

不易变形和开裂,为3D打印更加复杂结构提供可能

一个典型的案例是,飞而康在采用SLM技术打印C919钛合金薄壁结构的过程中,就遇到了严重的变形和开裂,整个参研团队花费2个月时间终于解决问题,这突出显示了钛合金在极限特征条件下的制造困难的特点。由于材料的特殊属性,新开发的钛铜合金在打印过程中不易变形和开裂,这为打印更加复杂和具有极限特征的零部件提供了可能。

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金3D打印的TiCu合金试样

这项研究属于材料设计的范畴,它为开发一系列新的钛基合金开辟了可能性,同时它也专为具有特殊性能的3D打印材料而开发。关于研究太过于学术的内容不宜展示,有兴趣的读者可进QQ群下载研究原文。

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金打印样件的成分

Nature2017,一种新型的3D打印高强铝合金,已商业使用

早在2017年,Nature刊文,美国休斯研究实验室(HRL)研究人员通过在打印材料中引入纳米颗粒形核剂进行表面修饰,来抑制3D打印中的热撕裂行为,控制金属固化方式,从而在急剧的温度梯度下实现等轴晶体的生长。

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金纳米颗粒附着在金属粉末表面

研究发现,以往不适合3D打印的7075和6061系列高强度铝合金可以通过SLM技术实现3D打印,且产品具有无裂缝的、等轴、精细结晶微结构,使得3D打印的铝合金和锻造铝合金强度接近。

实际上,上述所讲的钛铜合金,研究中也提到是通过引入形核剂来促进等轴晶的形成。这种方法适合一系列合金材料和3D打印工艺,具有良好的普适性,为不可焊接的超级镍合金或镍基间金属提供了3D打印的可能。

今日Nature:新型3D打印超强材料—钛铜合金

3D打印的高强铝合金回旋结构热交换器

今年10月,HRL开发的3D打印用高强铝合金正式投放市场,从而成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。随之而来的,是NASA马歇尔太空飞行中心开始将这种材料应用于大规模航空航天零部件的生产。HRL还与合作伙伴开发了一项能够突出该材料传热和流动性能优势的应用—拓扑回旋换热器,基于材料更高的强度,可减少零件制造中的材料用量,因此整个结构重量更轻,性能也更高

由此可见,高性能的材料具有更好的应用潜力。由HRL开发的高强铝合金从发表文章到实现商业化用了两年多时间,我们期待新型的钛铜合金也在解决当前钛合金面临的变形开裂问题的同时,也可获得更多实际应用。

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Nature刊文3D打印钛铜合金新材料

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