近日，中國工程院外籍院士、香港城市大學教授劉錦川團隊成功運用增材製造技術研發出一種高強度、高塑性的鈦合金。相關(guan) 研究成果發表於(yu) 《科學》。

劉錦川表示，這是一種具有前所未見的熔岩狀微觀組織的亞(ya) 穩態鈦合金。“這種獨特的微觀結構給合金帶來了優(you) 異的力學性能和細小的晶粒結構，使合金在擁有超高強度的同時仍然有極高的均勻變形能力，並保持鈦合金的低密度。”

增材製造，也稱為(wei) 3D打印，是現代製造業(ye) 中的一項革命性技術。過去十年間金屬材料的增材製造技術取得了從(cong) 快速原型製作、小規模生產(chan) 到大規模工業(ye) 化生產(chan) 的蓬勃發展。

3D打印往往被看做是一種單純的直接成型技術。然而很少有人會(hui) 想到，3D打印過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設計中同樣可以發揮意想不到的優(you) 勢。

在此，來自香港城市大學的張天隆博士在國際著名材料科學家劉錦川院士的指導下，創造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通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(cong) 而形成熔岩狀組織並由此帶來優(you) 異的力學性能。

研究人員認為(wei) ，該研究開拓了增材製造技術的想象空間，使其可以被開發為(wei) 一種全新的合金設計和製造方法，推動增材製造技術實現“材料-結構-性能”一體(ti) 化智能設計的夢想。

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(wei) ，一方麵人們(men) 對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠認識，另一方麵傳(chuan) 統方法通常無法有效地調控材料內(nei) 部的成分波動。

通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(yu) 製造出獨特的異構微觀結構，從(cong) 而提升材料的力學性能。因此，他們(men) 認為(wei) 材料的成分不均勻性可以被積極利用，並成為(wei) 有效的合金設計方法。

微米尺度成分梯度結構和由此產(chan) 生的熔岩狀微觀結構。

獨特的微觀結構

為(wei) 了有效調控合金內(nei) 部的成分波動，研究人員采用了增材製造技術。因為(wei) 在增材製造過程中，金屬粉末會(hui) 發生快速的熔化和凝固。由於(yu) 超快的冷卻速度，在熔池中產(chan) 生的成分梯度得以成功保留。

基於(yu) 這種新思路，研究人員嚐試在3D打印過程中采用兩(liang) 種常見合金粉末（包括不鏽鋼粉末）進行混合打印。通過精心選擇的粉末種類，以及特殊的打印參數，他們(men) 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(jin) 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性能，使其成為(wei) 目前增材製造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一。

綜上所述，研究者創造性地將成分調製的概念和3D打印結合起來，另辟蹊徑地設計出具有微米級成分梯度結構的合金設計策略。本研究工作不僅(jin) 將增材製造原位合金化中的成分不均勻性變廢為(wei) 寶，成功用來設計成分非均勻的高性能合金材料，更是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(jin) 僅(jin) 被用作複雜構件的成型技術，更可以被開發為(wei) 一種全新的合金設計和製造方法，從(cong) 而有力地推動增材製造技術實現“材料-結構-性能”一體(ti) 化智能設計的夢想。

論文第一作者、香港城市大學材料科學及工程學係博士後張天隆表示，“在這項研究中，我們(men) 不僅(jin) 設計出了一種新型高性能材料，更揭示了3D打印技術在材料設計上也可以大有作為(wei) 。”這些優(you) 異的性能使其在各種情況下都有很好的結構應用前景，例如航空航天、汽車、化工和醫療行業(ye) 。”

“作為(wei) 首個(ge) 運用3D打印特點，研發出具有獨特微觀結構及性能的新合金的研究團隊，我們(men) 會(hui) 繼續將這種全新的合金設計理念應用於(yu) 不同的合金係統。”劉錦川說。