近日，澳洲皇家墨爾本理工大學(xué)校長(zhǎng)特聘研究員宋廷廷所在的馬前教授（Distinguished Professor）團(tuán)隊(duì)與悉尼大學(xué)西蒙·林格（Simon Ringer）教授團(tuán)隊(duì)合作，通過契合鈦合金設(shè)計(jì)和 3D 打印工藝設(shè)計(jì)，成功制備了一類新型高性能鈦-氧-鐵（Ti-O-Fe）合金。

日前，相關(guān)論文以《3D 打印高強(qiáng)度高塑性新型 Ti-O-Fe 合金》（Strong and ductile titanium-oxygen-iron alloys by additive manufacturing）為題發(fā)表于 Nature 上。

宋廷廷是*作者，原悉尼大學(xué)博士后、現(xiàn)香港理工大學(xué)陳子斌助理教授是共同一作，皇家墨爾本理工大學(xué)馬前教授和悉尼大學(xué)西蒙·林格教授擔(dān)任共同通訊作者。

通過使用一種名為“定向能量沉積”的增材制造技術(shù)，課題組成功制備了這種 Ti-O-Fe 合金。通過改變兩種相對(duì)廉價(jià)、甚至能免費(fèi)獲取的合金元素（Fe 和 O）在 Ti 合金中的比例，Ti-O-Fe 合金擁有了與 Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其強(qiáng)度卻更加高。這些新型高性能 Ti-O-Fe 合金有望獲得多方面的應(yīng)用，包括在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工程、空間和能源技術(shù)等領(lǐng)域。

合金設(shè)計(jì)的初衷充分考慮了“少就是多”（即低合金化）和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想，即考慮到后續(xù)會(huì)利用鐵、氧超標(biāo)的等級(jí)外的海綿鈦、來自打印循環(huán)過程中高氧含量的剩余鈦粉或其它途徑的高氧含量的鈦粉，以及用氧量高的加工“廢料”為原材料, 來制備這類新型鈦合金。

此外，由氧所引發(fā)的脆性問題，發(fā)生在鈦合金身上，也見諸于其他金屬和合金，比如鈮、鉬、以及鋯。如何解決或降低由此類間隙元素造成的脆性問題是物理冶金上一個(gè)挑戰(zhàn)。

該高延展性高強(qiáng)度 Ti-O-Fe 工作對(duì)該挑戰(zhàn)有一定的啟發(fā)性，即可以考慮通過合金設(shè)計(jì)的方法，引入一個(gè)能夠“笑納”氧或其它間隙元素的第二組成相，再結(jié)合*性原理計(jì)算來預(yù)測(cè)間隙元素的分布。同時(shí)，施以量身裁體的 3D 打印工藝，就有希望針對(duì)由氧元素或類似間隙元素引起的脆性問題提供有效解決方案。

對(duì)于鈦合金來說，在 α 相鈦晶體的穩(wěn)定和強(qiáng)化上，氮的能力比氧還要出色。同時(shí)，氮很容易讓鈦?zhàn)兇啵�因此鈦合金中的氮含量必須受到�?yán)格控制（<0.05%）。而借助本次研究所展示的思路，則有望造出基于 3D 打印的高性能 Ti-N-Fe 合金。另外，海綿鋯與海綿鈦的生產(chǎn)思路是一致的。因此，適用于鈦合金的概念，理論上也有望用于鋯合金。

另外，他們還使用*技術(shù)來表征這一合金，例如使用三維原子探針技術(shù)，詳細(xì)探索了 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金中的元素分布情況，精度可以達(dá)到原子級(jí)。

如何高效利用高氧鈦粉？

據(jù)介紹，鈦合金是一種輕質(zhì)高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料。α-β 雙相鈦合金是鈦工業(yè)的主干材料，占據(jù)鈦合金應(yīng)用市場(chǎng)的半壁江山（α 相鈦和 β 相鈦，都是鈦?zhàn)鳛榻饘倬�體存在的一種方式，各自對(duì)應(yīng)著特定的原子排列方式）。自 20 世紀(jì) 50 年代以來，該類鈦合金的生產(chǎn)主要通過向鈦金屬中添加鋁和釩來實(shí)現(xiàn)。其中，鋁被用于穩(wěn)定和強(qiáng)化 α 相鈦，釩則被用于穩(wěn)定和強(qiáng)化 β 相鈦。

氧和鐵是兩種儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的元素，它們分別可以穩(wěn)定和強(qiáng)化 α 相鈦和 β 相鈦。氧穩(wěn)定 α 相鈦的能力大約是鋁的 10 倍；而鐵穩(wěn)定 β 相鈦的能力大概是釩的 4 倍。

然而，氧被廣泛稱為“鈦的克星”，原因在于，如果超過一個(gè)低的臨界值含量，氧會(huì)極速增加鈦合金的脆性。

鐵雖然是*強(qiáng)的 β 相鈦穩(wěn)定化元素，但是，當(dāng)把 2% 左右的鐵作為主要的 β 相鈦穩(wěn)定化元素加入鈦合金之后，在通常的凝固條件下往往會(huì)形成難以消除的塊狀 β 斑，這會(huì)嚴(yán)重影響組織的均勻性，進(jìn)而對(duì)鈦合金性能造成諸多不利影響。

因此，利用傳統(tǒng)制造工藝制備高性能 α-β 雙相 Ti-O-Fe 合金嚴(yán)重受制于上述兩個(gè)因素。

從原材料角度看，自 20 世紀(jì) 40 年代鈦工業(yè)誕生以來，海綿鈦金屬的生產(chǎn)通常使用高能耗的克勞爾（Kroll）工藝。在這種工藝?yán)铮�大約有 5%-10% 的海綿鈦存在鐵超標(biāo)或氧超標(biāo)的情況，屬于低等級(jí)或等級(jí)外海綿鈦產(chǎn)品，無法用來生產(chǎn)高性能鈦合金。

假如能把這些低等級(jí)或等級(jí)外海綿鈦轉(zhuǎn)化為高性能的鈦合金，必將帶來重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和減排效應(yīng)。

此外，氧和鈦具有非常強(qiáng)的結(jié)合能力。低氧鈦粉在 3D 打印循環(huán)過程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，剩余鈦粉的氧含量會(huì)逐漸增加進(jìn)而可能超標(biāo)。

而且，在非球形鈦粉的生產(chǎn)工藝中，一部分鈦粉不可避免會(huì)含有較高的氧含量。目前對(duì)這些高氧鈦粉的有效再利用一直是一個(gè)難題。本研究也為解決這一難題提供了一個(gè)新的途徑。

   

“做完五輪實(shí)驗(yàn)才摸出頭緒”  

此次課題要從四年前馬前教授獲得澳大利亞研究院資助項(xiàng)目（ARCDP180103205）說起，當(dāng)時(shí)宋廷廷開始在皇家墨爾本理工大學(xué)增材制造中心，開展合金設(shè)計(jì)和 3D 打印工藝的研究。

后來在 2019 年 7 月，在第二屆亞太國(guó)際增材制造會(huì)議上，宋廷廷結(jié)識(shí)了悉尼大學(xué)的西蒙·林格（Simon Ringer）教授、廖曉舟教授以及目前任職于香港理工大學(xué)的陳子斌助理教授。自此，他們展開了本次合作。西蒙·林格教授和廖曉舟教授所在的悉尼大學(xué)電鏡中心，擁有世界*的透射電子顯微鏡和三維原子探針技術(shù)。對(duì)于在原子尺度上優(yōu)化合金設(shè)計(jì)、進(jìn)而促成優(yōu)異的合金力學(xué)性能，起到了至關(guān)重要的作用。

宋廷廷表示：“研究期間還發(fā)生了一個(gè)難忘的瞬間：2022 年 1 月我們收到了 Nature 的*輪審稿意見，我著手補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和回復(fù)審稿意見。補(bǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到了接二連三的問題，直到做完五輪實(shí)驗(yàn)才摸出頭緒�！�

2022 年 6 月，墨爾本遭遇新一輪的新冠疫情，增材制造中心工作人員短缺、激光粉末沉積設(shè)備預(yù)約爆滿。為了與時(shí)間賽跑，白天其他人用完設(shè)備之后，宋廷廷于晚上使用該設(shè)備進(jìn)行 Ti-O-Fe 合金的 3D 打印。

一天晚上八點(diǎn)多，宋廷廷在中心廚房吃飯，一位她從讀博開始就認(rèn)識(shí)的教授從外邊敲窗。隔著玻璃他倆相互聽不到，這位教授敲敲窗戶、指指手表，意思是說“這么晚了你在這兒干嘛”。這時(shí)宋廷廷微笑著和他招了招手。

2022 年 10 月，宋廷廷此前申請(qǐng)的澳大利亞研究院杰出青年研究員項(xiàng)目名單公布。這位教授是*個(gè)發(fā)郵件祝賀她的人�！八�的郵件非常簡(jiǎn)短，但我讀出了很多內(nèi)容，這是一種被看見、被認(rèn)可的感覺�！彼瓮⑼⒄f。

而在未來，宋廷廷也將再接再厲。后續(xù)她計(jì)劃使用海綿鈦生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的鐵和氧超標(biāo)的等級(jí)外海綿鈦?zhàn)鳛橹品墼�料來�?shí)現(xiàn)這些合金的打印。她和團(tuán)隊(duì)將收集在球形或非球形高氧鈦粉、以及鈦材加工過程中產(chǎn)生的氧含量高的廢料，來作為生產(chǎn)這類 Ti-O-Fe 合金的原料。

她說：“希望我們的后續(xù)工作，能真正地助力于以降耗減排、降低成本為目標(biāo)的可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。”

另?yè)?jù)悉，宋廷廷來自山東省鄒平市九戶鎮(zhèn)北宋村。其本科和碩士分別畢業(yè)于山東大學(xué)和上海大學(xué)。博士分別就讀于澳洲昆士蘭大學(xué)和皇家墨爾本理工大學(xué)。

2016 年 5 月到 2022 年 12 月，她在皇家墨爾本理工大學(xué)增材制造中心擔(dān)任博士后。2023 年 1 月她開始在皇家墨爾本理工大學(xué)擔(dān)任校長(zhǎng)特聘研究員。

她表示：“皇家墨爾本理工大學(xué)增材制造中心成立于 2010 年，投資超過 3500 萬美元，匯集了皇家墨爾本理工大學(xué)在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料工程和增材制造方面的精英，它是皇家墨爾本理工大學(xué)*強(qiáng)大的核心研究領(lǐng)域之一。在*近一次澳大利亞國(guó)家研究院*研究報(bào)告中，其在材料工程和制造工程兩個(gè)專業(yè)中均獲得‘遠(yuǎn)高于世界標(biāo)準(zhǔn)’的肯定，其愿景是成為實(shí)施下一代澳大利亞先進(jìn)制造技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者�！�

相關(guān)新聞