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。

通過早前的計算模擬研究，研究人員發(fā)現(xiàn)，一定程度上的成分不均勻性有助于制造出獨特的異構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)，從而提升材料的力學(xué)性能。因此，他們認(rèn)為材料的成分不均勻性可以被積極利用，并成為有效的合金設(shè)計方法。

為調(diào)控合金內(nèi)部的成分波動，研究人員采用了3D打印技術(shù)。這是一種單純的直接成型技術(shù)，但很少有人想到將其運用到合金設(shè)計中。在3D打印過程中，金屬粉末會發(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。

劉錦川與部分團(tuán)隊成員(香港城市大學(xué)供圖)

基于這種新思路，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。通過精心選擇的粉末種類以及特殊的打印參數(shù)，他們實現(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現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一。

劉錦川還表示，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)度的同時仍有極高的均勻變形能力，并保持鈦合金的低密度?！?