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3D打印賦能合金設(shè)計(jì)，打造高強(qiáng)度高塑性鈦合金
近日，據(jù)中國科學(xué)院消息，中國工程院外籍院士、香港城市大學(xué)教授劉錦川團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了一種3D打印策略，通過調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度，研發(fā)出一種高強(qiáng)度、高塑性的鈦合金。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《科學(xué)》。
一般來說，金屬材料中的成分不均勻性往往被視為重大缺陷，也是研究人員一直努力避免的。一方面，人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認(rèn)識；另一方面，傳統(tǒng)方法通常無法有效調(diào)控材料內(nèi)部的成分波動(dòng)。
為調(diào)控合金內(nèi)部的成分波動(dòng)，研究人員采用了3D打印技術(shù)。在3D打印過程中，金屬粉末會(huì)發(fā)生快速的熔化和凝固。由于超快的冷卻速度，在熔池中產(chǎn)生的成分梯度得以成功保留�；谶@種新思路，研究人員嘗試在3D打印過程中將兩種常見合金粉末（包括不銹鋼粉末）進(jìn)行混合打印，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)控的微米級成分梯度。
劉錦川表示，這種微米級成分梯度不僅帶來了相穩(wěn)定性以及微觀組織在空間上的調(diào)制，還提高了鈦合金的力學(xué)性能，使其成為目前3D打印鈦合金中所能實(shí)現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一。而且，這是一種具有熔巖狀微觀組織的亞穩(wěn)態(tài)鈦合金�！斑@種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)給合金帶來了優(yōu)異的力學(xué)性能和細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)，使合金在擁有超高強(qiáng)度的同時(shí)仍有極高的均勻變形能力，并保持鈦合金的低密度。”
廈門大學(xué)孫道恒團(tuán)隊(duì)提出“微尺度3D打印+液態(tài)金屬填充”方法
近日，廈門大學(xué)航空航天學(xué)院孫道恒教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)提出“微尺度3D打印+液態(tài)金屬填充”方法，突破了多材料(聚合物-金屬)、跨尺度(μm~cm)、共形、結(jié)構(gòu)-功能一體化微結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)，為富含這類共性特征器件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、功能創(chuàng)新及應(yīng)用創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。以3D復(fù)雜電磁超材料為對象驗(yàn)證了工藝的魯棒性及有效性，通過優(yōu)化液態(tài)金屬填充流道布局及表面后處理工藝提升了超材料器件的傳輸性能。
嵌入式超材料結(jié)構(gòu)示意圖
該研究將3D打印的靈活性與液態(tài)金屬的易流動(dòng)、易填充性相結(jié)合，開辟了一類復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造新方法，為結(jié)構(gòu)-功能一體化柔性電子、軟體機(jī)器人、天線等富含多材料、跨尺度結(jié)構(gòu)的制造奠定了基礎(chǔ)，也為拓展超材料應(yīng)用范圍(如3D光學(xué)/電磁隱身衣、智能蒙皮、超透鏡等)提供了新的解決方案。
早稻田大學(xué)研發(fā)了一種減少金屬3D打印件變形的方法
11月9日，日本的早稻田大學(xué)對外公布了一項(xiàng)研究成果，該大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種減少金屬3D打印熱變形的方法。
金屬3D打印件會(huì)產(chǎn)生比較大的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致零件翹曲變形。為了解決這個(gè)問題，研究小組在建模時(shí)，在零件內(nèi)部加入了晶格結(jié)構(gòu)，通過中空的結(jié)構(gòu)來減少金屬3D打印件的熱變形。研究小組通過測試發(fā)現(xiàn)，可以通過改變晶格的稀疏來更好的控制變形。此外，他們還開發(fā)了一種拓?fù)鋬?yōu)化的算法，來優(yōu)化晶格分布。
使用貝塞爾光束提升金屬3D打印技術(shù)
為了解決金屬3D打印中的孔隙和缺陷問題，美國勞倫斯—利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱LLNL）的研究人員試驗(yàn)了被稱為貝塞爾光束（Bessel beams）的奇特光學(xué)光束形狀。他們發(fā)現(xiàn)這種光束具有自我修正和非衍射性，并減少了孔隙形成和“鍵合”（keyholing）的出現(xiàn)，而高斯光束（Gaussian beams）的使用加劇了孔隙的誘發(fā)現(xiàn)象。相關(guān)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。
基于激光的3D打印技術(shù)極大擴(kuò)展了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但傳統(tǒng)用于金屬打印的激光束可能導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷和機(jī)械性能不佳。為解決這一問題，LLNL研究人員探索在高功率激光打印中將常用的高斯光束替換成別的光束。研究人員表示，利用貝塞爾光束可將能量配置在遠(yuǎn)離中心的位置，即可主動(dòng)設(shè)計(jì)熱曲線并減少熱梯度，以優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)的形成，從而獲得更精細(xì)的器件和更光滑的表面。貝塞爾光束大幅擴(kuò)展了激光掃描的參數(shù)空間，實(shí)現(xiàn)了理想的熔池形狀：既不會(huì)太淺，也不會(huì)出現(xiàn)鍵合現(xiàn)象。貝塞爾光束由于其非衍射特性，可提供更大的聚焦深度。
缺陷反而能讓3D打印變得更好
康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種改進(jìn)金屬3D打印零件的方法。這是一種反其道而行的方法，故意在3D打印過程中制造更多的缺陷，然后在后處理時(shí)，使用高溫和高壓來改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生強(qiáng)度和韌性更好的金屬零件。
研究小組表示，目前的以粉末燒結(jié)為代表的金屬3D打印技術(shù)存在一個(gè)缺陷，3D打印的金屬零件會(huì)有微小孔隙，從而削弱了材料性能。不過目前還沒辦法完全消除這種孔隙。
于是他們就想，既然無法消除，那么是否換個(gè)思路，利用這些孔隙呢？他們在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些孔隙其實(shí)包含了比較大的能量。為了獲得更多的孔隙，他們干脆不再優(yōu)化工藝參數(shù)（用來減少孔隙），而是直接打印，以增加這種孔隙率。
于是，研究小組就獲得了一個(gè)有點(diǎn)糟糕的金屬3D打印件。隨后，他們采用一種熱等靜壓（HIP）的方法，對金屬件施加高熱和高壓，高壓會(huì)迫使具有高應(yīng)力集中的孔隙閉合，高溫會(huì)推動(dòng)孔隙中的能量釋放，從而改變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)過高溫高壓處理后，本身的材料性能趨向于合金，強(qiáng)度和韌性大幅度增加，3D打印件強(qiáng)方向和弱方向的特性也消失，適用于所有方向。據(jù)說性能比鍛造件都要好。
參考來源：前瞻網(wǎng)、白令三維3D打印、科技部合作司、小材科研等。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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