3D 打印创造新型高强度钛合金

理大科学家与澳洲墨尔本皇家理工大学和雪梨大学合作，成功利用 3D 打印技术（又称增材制造）研制出高强度、高塑性的新型钛合金，同时为钛合金工业生产长期面对的品质性能和废料处理问题提供了有效解决方案。研究成果已发表于国际科学期刊《自然》（Nature）。

钛合金是先进的轻质材料，常用于各种关键应用。研究团队的创新发现开拓了 3D 打印制造钛合金及其他金属物料的潜在应用，有望降低成本、提高物料性能，同时积极推动可持续发展的循环经济模式。

氧和铁是两种储量富丰、价钱合理的元素，而且可以分别使 α 和 β 两相钛合金稳定和变强。研究团队利用 3D 打印技术，成功生产了一种结合了氧和铁的新型钛合金「α–β Ti-O-Fe 合金」，其特点是强度与塑性俱高，而且应用潜力优厚，能于航空航天、海洋工程、消费电子和生物医疗设备等领域发挥作用，有助积极推动可持续发展。与自 1954 年发明以来广泛使用的基准材料「Ti-6AI-4V 钛合金」相比，研究团队最新研发的新型钛合金的机械性能更胜一筹，除了良好的延展性，强度也更高。

虽然这种新型钛合金可以利用铸造法等传统工艺生产，但效果逊色，不适合实际工程应用。 3D 打印技术能有效克服传统工艺缺点，制作出高性能钛合金。

钛合金传统上以能源密集的 Kroll 工艺生产，过程中无可避免地产出约10％劣质「海绵钛」（sponge titanium），由于劣质废料本身仍含有很多氧和铁，所以会造成大量浪费、推高生产成本。研究团队提出的新方案利用 3D 打印技术制造方法，可回收劣质废料，并有效转化为原材料粉末再投入生产。此外，这种新的合金设计以低合金化和素化为基础思维，可把合金元素减至最少。现时占据主流的 Ti-6Al-4V 中含有 10% 的合金元素，而且其中的钒毒性较大，所以研究团队的低合金化与素化理念能带来改变，为实现可持续发展带来裨益。

理大工业及系统工程学系助理教授陈子斌博士是研究报告的其中一位主要作者，他亦是理大首届「青年创新研究者奖」的得奖者。陈子斌博士表示：「本研究令金属合金制造业所产生的逾 10％ 废弃物得以回收，能大幅降低工业材料和能源成本，并有助于减少碳足迹，为环境可持续发展作出贡献。」

该研究结合合金设计、计算模拟和实验表征等方法，探索新型「Ti-O-Fe」钛合金的 3D 打印制造流程、微结构和性能。

现代的 3D 打印技术能一步到位地制成复杂的功能性金属零件，有助节省产品开发的时间和成本。该技术还突破了传统方法的限制，能够制造出结构和成分特殊的金属零件。在质量方面，3D 打印制造法能调整金属合金的微结构，不但使其强度更高、塑性更好、耐腐蚀性更优秀，还能够制造出价廉、坚固，而且内部复杂结构的金属零件。这项研究突破，为 3D 打印制造法提供了全面和可持续的材料设计策略，开拓了更广阔的应用前景。

理大工业及系统工程学系讲座教授（制造工程）陈镜昌教授是本研究的合著者，他表 示︰「本研究可以作为其他金属合金制造法的模型或基准，利用 3D 打印技术来提高性能，创造更多可能性。3D 打印金属是新兴领域，相信未来将在材料制造领域中愈来愈盛行。」