近日，來自香港城市大學、廣東省科學院、西安交通大學等單位科研人員成功運用3D列印技術研發出一種高強度、高塑性的鈦合金。這是一種違反直覺的3D列印策略，創造性地將成分調製的概念和3D列印結合起來賦能合金設計，即透過精心調控熔池中不同粉末的混合程度，設計出一種前所未見的微米級成分梯度結構，從而形成熔岩狀組織並由此帶來優異的力學效能。該研究成果發表於國際頂尖期刊《Science》。
一般來說，金屬材料中的成分不均勻性往往被看做重大缺陷，是研究人員一直努力避免的。這是因為，一方面人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認識，另一方面傳統鑄造、鍛造等方法通常無法有效地調控材料內部的成分波動。
3D列印，也稱為增材製造，往往被看作是一種單純的直接成型技術。很少有人會想到，3D列印過程蘊含的獨特物理過程在合金設計中同樣可以發揮意想不到的優勢。透過早前的計算模擬研究，研究人員發現一定程度上的成分不均勻性有助於製造出獨特的異構微觀結構，從而提升材料的力學效能。因此，他們認為材料的成分不均勻性可以被積極利用，併成為有效的合金設計方法。
在增材製造過程中，金屬粉末會發生快速的熔化和凝固，超快的冷卻速度使熔池中產生的成分梯度得以成功保留。基於這種新思路，為有效調控材料內部成分波動，研究人員嘗試在3D列印過程中採用兩種常見合金粉末（包括不鏽鋼粉末）進行混合列印。
透過精心選擇粉末種類，以及特殊列印引數，他們成功實現了可調控的微米級成分梯度。這種微米級成分梯度不僅帶來了相穩定性以及微觀組織在空間上的調製，還提高了鈦合金的力學效能，使其成為目前增材製造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一。
本研究工作不僅將增材製造原位合金化中的成分不均勻性“變廢為寶”，成功用來設計成分非均勻的高效能合金材料，更極大地開拓了增材製造技術的想象空間，使得這項技術不僅可以用作複雜構件的成型技術，還可以被開發為一種全新的合金設計和製造方法，從而有力推動增材製造技術實現“材料-結構-效能”一體化智慧設計的夢想。
論文第二作者、廣東省科學院教授級高階工程師黃正華介紹，研究實驗由廣東省科學院新材料研究所（前身為廣東省材料與加工研究所）與香港城市大學共建“粵港輕合金先進製造技術聯合研發中心”完成。粵港聯合研發中心於2018年在廣東省科學院建設國內一流研究機構行動專項資金專案的資助下成立，主要開展新型高效能輕合金材料與輕合金增材製造技術研究。
文/廣州日報•新花城記者：董業衡 耿旭靜 通訊員 尹姝慧廣州日報•新花城編輯：湯南
