導讀：包括澳大利亞皇家墨爾本理工大學、悉尼大學在內(nèi)的國際研究團隊結(jié)合使用合金設計和3D打印，開發(fā)出一類新型的韌性和強度高的鈦合金，這種合金在張力下堅固而不脆。
這一突破發(fā)表在頂級期刊 《自然》上，這項研究有望為航空航天、生物醫(yī)學、化學工程、空間和能源技術(shù)領域的應用開發(fā)出更可持續(xù)的新型高性能鈦合金。

采用激光定向能量沉積 (L-DED)工藝

新型鈦合金由兩種形式的鈦晶體混合物組成，稱為α-鈦相和β-鈦相，每種都對應于特定的原子排列。研究人員發(fā)現(xiàn)，氧氣和鐵是α－鈦相和β－鈦相的兩種最強大的穩(wěn)定劑和強化劑，它們豐富且廉價。 但兩個挑戰(zhàn)阻礙了通過傳統(tǒng)制造工藝開發(fā)高強度和延展性的α-β鈦-氧-鐵合金。一個挑戰(zhàn)是氧氣——通俗地描述為‘鈦的氪石’，會使鈦變脆；另一個挑戰(zhàn)是添加鐵可能導致嚴重缺陷，形成大塊β-鈦。

alpha-beta相間界面的原子級微觀結(jié)構(gòu)

該團隊使用激光定向能量沉積 (L-DED)從金屬粉末中打印合金，這是一種適用于制造大型復雜零件的3D打印工藝。他們將合金設計理念與3D打印工藝設計結(jié)合，確定了一系列強度高、延展性好且易于打印的合金。

關鍵的推動因素是氧和鐵原子在α-鈦和β-鈦相內(nèi)部和之間的獨特分布。研究人員在α- 鈦相中設計了納米級的氧梯度，具有堅固的高氧段和延展性的低氧段，從而能夠控制局部原子鍵合，降低了潛在脆化的可能性。

參與該項目的科研人員，宋婷婷博士和馬倩教授

該團隊表示，這些新型合金可以與商用合金相媲美。

悉尼大學副校長西蒙·林格教授表示，這項研究提供了一種新的鈦合金系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有廣泛且可調(diào)的機械性能、高可制造性、巨大的減排潛力，也為同類系統(tǒng)材料設計提供了見解。

研究人員表示，在他們的設計中融入了循環(huán)經(jīng)濟思想，為利用工業(yè)廢料和低品位材料生產(chǎn)新型鈦合金創(chuàng)造了巨大希望，同時，有可能增加經(jīng)濟價值并減少鈦工業(yè)的高碳足跡。

氧脆化不僅是鈦的主要冶金挑戰(zhàn)，也是鋯、鈮和鉬等其他重要金屬及其合金的主要冶金挑戰(zhàn)。新研究可能會提供一個模板，通過 3D 打印和微結(jié)構(gòu)設計來緩解這些氧脆問題。

導讀：包括澳大利亞皇家墨爾本理工大學、悉尼大學在內(nèi)的國際研究團隊結(jié)合使用合金設計和3D打印，開發(fā)出一類新型的韌性和強度高的鈦合金，這種合金在張力下堅固而不脆。
這一突破發(fā)表在頂級期刊 《自然》上，這項研究有望為航空航天、生物醫(yī)學、化學工程、空間和能源技術(shù)領域的應用開發(fā)出更可持續(xù)的新型高性能鈦合金。

采用激光定向能量沉積 (L-DED)工藝

新型鈦合金由兩種形式的鈦晶體混合物組成，稱為α-鈦相和β-鈦相，每種都對應于特定的原子排列。研究人員發(fā)現(xiàn)，氧氣和鐵是α－鈦相和β－鈦相的兩種最強大的穩(wěn)定劑和強化劑，它們豐富且廉價。 但兩個挑戰(zhàn)阻礙了通過傳統(tǒng)制造工藝開發(fā)高強度和延展性的α-β鈦-氧-鐵合金。一個挑戰(zhàn)是氧氣——通俗地描述為‘鈦的氪石’，會使鈦變脆；另一個挑戰(zhàn)是添加鐵可能導致嚴重缺陷，形成大塊β-鈦。

alpha-beta相間界面的原子級微觀結(jié)構(gòu)

該團隊使用激光定向能量沉積 (L-DED)從金屬粉末中打印合金，這是一種適用于制造大型復雜零件的3D打印工藝。他們將合金設計理念與3D打印工藝設計結(jié)合，確定了一系列強度高、延展性好且易于打印的合金。

關鍵的推動因素是氧和鐵原子在α-鈦和β-鈦相內(nèi)部和之間的獨特分布。研究人員在α- 鈦相中設計了納米級的氧梯度，具有堅固的高氧段和延展性的低氧段，從而能夠控制局部原子鍵合，降低了潛在脆化的可能性。

參與該項目的科研人員，宋婷婷博士和馬倩教授

該團隊表示，這些新型合金可以與商用合金相媲美。

悉尼大學副校長西蒙·林格教授表示，這項研究提供了一種新的鈦合金系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有廣泛且可調(diào)的機械性能、高可制造性、巨大的減排潛力，也為同類系統(tǒng)材料設計提供了見解。

研究人員表示，在他們的設計中融入了循環(huán)經(jīng)濟思想，為利用工業(yè)廢料和低品位材料生產(chǎn)新型鈦合金創(chuàng)造了巨大希望，同時，有可能增加經(jīng)濟價值并減少鈦工業(yè)的高碳足跡。

氧脆化不僅是鈦的主要冶金挑戰(zhàn)，也是鋯、鈮和鉬等其他重要金屬及其合金的主要冶金挑戰(zhàn)。新研究可能會提供一個模板，通過 3D 打印和微結(jié)構(gòu)設計來緩解這些氧脆問題。