3D打印作为一种新的材料成型方式，可使高温合金的加工过程发生根本变化，还能减少制造步骤更能节省大量材料。本文盘点了一些近期3D打印制备新型合金的研究成果。

3D打印出在拉伸下坚固而不脆的新型钛合金

研究背景：

大约75年前，人们开始使用一种称为克罗尔工艺的方法来工业化生产海绵状钛合金。这一方法促进了各种钛合金的迅速发展。氧和铁是钛的α相和β相两个主要稳定剂和强化剂，而且它们很容易从自然界中获取。然而，氧气会使钛合金变得脆弱，而添加铁则会导致严重的微观结构缺陷，即β-裂纹（富含铁的β相钛的斑块)。因此，至今仍无法用传统方法制得含有氧和铁作为主要合金元素并且具有高抗拉强度(能承受拉力而不断裂)和延展性（能在不断裂的情况下发生形变)的钛合金。此外，通过能源密集型的克罗尔工艺生产的海绵状钛合金中有5-10%含有钛、铁和氧的低质合金。将这些废料转化为高性能的钛合金也是一个重要的目标。

研究成果：

近日，包括澳大利亚皇家墨尔本理工大学、悉尼大学在内的国际研究团队将合金和3D打印工艺结合在一起，创造出了一种新的钛合金，这种合金在拉伸下坚固而不脆。这项发表在最新一期《自然》杂志上的突破，为在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术中应用的新一类更可持续的高性能钛合金的研制带来了希望。

新钛合金由两种钛晶体的混合物组成，称为α-钛相和β-钛相，每种钛晶体对应于特定的原子排列。氧气和铁是α-钛相和β-钛相的两种最强大的稳定剂和强化剂，它们丰富而廉价。但研究人员发现，有两个挑战阻碍了通过传统制造工艺开发坚韧的α-β钛氧铁合金。一个挑战是氧气会使钛变脆；另一个挑战是加入铁可能会导致严重的冶金缺陷，形成大块β钛。

该团队使用了激光定向能沉积从金属粉末打印出他们的合金，这是一种适用于制造大型复杂零件的3D打印工艺。他们将合金设计理念与3D打印工艺设计结合，确定了一系列坚固、延展性好、易于打印的合金。

关键的推动因素是氧和铁原子在α-钛相和β-钛相内部和二者之间的独特分布。研究人员在α-钛相中设计了一种纳米级的氧梯度，具有坚固的高氧段和延展性的低氧段，从而能够对局部原子键施加控制，降低了潜在脆化的可能性。

该团队表示，这些新合金的诱人性能可与商业合金相媲美。

悉尼大学副校长西蒙·林格教授表示，这项研究提供了一种新的钛合金系统，该系统具有广泛且可调的机械性能、高可制造性、巨大的减排潜力，也为同类系统材料设计提供了见解。

研究影响：

此研究的设计理念对于物理冶金学有广泛的影响。首先，氮气(N)是一种丰富且价格低廉的资源，在稳定和加强钛的α相方面甚至比氧气更有效。然而，氮气会使钛合金变得脆弱，因此其氮含量受到严格限制。作者的研究表明，可能有办法开发出强大、韧性良好且可持续制造的c-β Ti-N-Fe合金。其次，错(Zr)海绵的生产方式与钛海绵相似。作者的设计理念可以启发通过3D打印开发出强壮、具有延展性且更可持续来源的α-βZr-O-Fe和Zr-N-Fe合金。此外，除了钛和错，氧气还会对其他金属（(如昵和钼）进行腐蚀。作者的Ti-O-Fe合金的高拉伸强度和延展性可以为其他3D打印的金属和合金的设计提供启示。

研究人员表示，该团队在设计中融入了循环经济的思想，为利用工业废物和低品位材料生产新的钛合金创造了希望。此外，氧脆化不仅对钛，而且对其他重要金属，如锆、铌、钼及其合金，都是一个重大的冶金挑战。新研究可能会提供一个模板，即通过3D打印和微结构设计来缓解这些氧脆化问题。

3D打印出最具弹性合金，可抗600倍压力

今年4月，美国国家航空航天局和俄亥俄州立大学科学家携手，开发出一种3D打印工艺，制造出了迄今最具弹性的新合金，该合金名为 GRX-810，具有超强的抗热、抗氧化和抗应力性能，可用于制造飞机和航天器的高温零件。该合金是通过 3D 打印技术和氧化物分散技术制造的，比现有的合金强度高出两倍，耐久性高出 1000 倍，抗应力能力高出 600 倍。

有研究表明，在金属合金中添加陶瓷可以增强其弹性，但金属和陶瓷的特性不同，添加陶瓷这一方法已经被证明存在问题，当将陶瓷添加到熔融金属中时，较轻的陶瓷往往会浮到顶部。为克服这个问题，研究人员将目光投向了3D打印。

在最新研究中，科学家使用一种由钴、镍和铬颗粒组成的混合物制成“墨水”，并对打印机进行编程，在每层墨水中添加一层氧化钇粉末。随着打印的进行，一层金属合金被打印到表面，接下来一层是氧化钇颗粒。随后，研究团队利用激光加热这些颗粒，迫使它们进入金属合金内，最后他们得到了一层混合了微小的陶瓷材料的金属合金，如果打印过程继续，他们将创建一个新对象，如火箭喷嘴等。

团队使用“蠕变试验”对得到的新合金进行了测试。蠕变试验是测定材料在长时间的恒温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。试验持续的时间越长，材料的抗压能力就越强。目前的顶级材料通常持续约10小时，GRX-810持续6500小时，抗压能力提升了600多倍。

新型3D打印高温合金减少碳排放，生产更多电力

美国桑迪亚国家实验室领导的研究团队证明，一种新型3D打印高温合金可帮助发电厂产生更多电力，同时排放更少的碳。研究团队使用3D打印机创造了一种高性能金属合金，其成分不同寻常，这使得该合金比目前用于燃气轮机的最先进材料更坚固、更轻。这些发现可能会对能源行业以及航空航天和汽车行业产生广泛影响。

材料耐高温对发电厂涡轮机至关重要。实验表明，这种新型超级合金(包含42%的铝、25%的钛、13%的铌、8%的锆、8%的钼和4%的钽)在800℃时比许多其他高性能合金(包括目前用于涡轮机部件的合金)更坚固，当它降到室温时仍保持坚固。

新研究表明3D打印技术可被重新利用，以快速、高效地制作新材料。团队成员使用3D打印机快速熔化金属粉末，然后即时打印出样品。这也代表了合金发展的根本性转变，因为没有一种金属占材料的一半以上。研究人员表示，有很多例子表明，将两种或3种元素结合在一起可制成更有用的工程合金。

3D打印出具有熔岩般微观结构的钛合金

2021年香港城市大学利用3D打印技术开发的新型钛合金具有熔岩般的微观结构，这种不均匀的微观结构反而让合金具备优异的机械性能。他们的发现为应用具有独特结构和性能的合金开辟了新的途径、提供了更多可能。

不锈钢通常为每立方厘米7.9克，但新合金仅为每立方厘米4.5克，重量轻了约40%。在该实验中，具有熔岩状微观结构的钛合金表现出约1.3gigapascals（GPa）的高抗拉强度和约9%的均匀伸长率。它还具有超过300MPa（1Gpa=1000Mpa，1Mpa=1000000pa）的优异加工硬化能力，这保证了断裂前的大安全裕度，在结构应用中非常有用。

这些优异的性能有望用于各种场景中的结构应用，例如航空航天、汽车、化工和医疗等行业。作为首个使用3D打印开发具有独特微观结构和性能的新型合金的团队，演剧团队将进一步将这一设计理念应用于不同的合金体系，进一步探索新型合金的其他性能。

文章来源： 高分子科学前沿，奔跑的小飞侠E，长三角G60激光联盟，科技日报