3D打印(3DP)即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造 [1] ，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工(AEC)、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。

鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬。鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金。

鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，最純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過0.1%，但其強(qiáng)度低、塑性高。

強(qiáng)度高

鈦合金的密度一般在4.51g/cm3左右，僅為鋼的60%，一些高強(qiáng)度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

莫納什大學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)世界首創(chuàng)研究展示了尖端 3D 打印技術(shù)如何用于生產(chǎn)超強(qiáng)商用鈦合金——這是航空航天、航天、國防、能源和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的重大飛躍。

由莫納什大學(xué)黃愛軍教授和朱玉曼博士領(lǐng)導(dǎo)的澳大利亞研究人員使用 3D 打印方法來操縱新型微觀結(jié)構(gòu)。通過這樣做，他們獲得了前所未有的機(jī)械性能。

這項(xiàng)發(fā)表在Nature Materials上的研究是在市售合金上進(jìn)行的，可以立即應(yīng)用。

“鈦合金需要復(fù)雜的鑄造和熱機(jī)械加工才能達(dá)到某些關(guān)鍵應(yīng)用所需的高強(qiáng)度。我們發(fā)現(xiàn)增材制造可以利用其獨(dú)特的制造工藝在商用鈦合金中制造出超強(qiáng)和熱穩(wěn)定的零件，這些零件可以直接實(shí)施在職，”黃教授說。

“在對(duì)商業(yè)鈦合金進(jìn)行簡單的后熱處理后，達(dá)到了超過 1,600 MPa 的足夠伸長率和抗拉強(qiáng)度，這是迄今為止所有 3D 打印金屬中最高的比強(qiáng)度。這項(xiàng)工作為制造具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料和廣泛應(yīng)用的優(yōu)異性能?！?

在過去的十年中，3D 打印憑借其幾乎可以制造任何幾何形狀部件的設(shè)計(jì)自由度引領(lǐng)了金屬制造的新時(shí)代。

鈦合金目前是航空航天業(yè)領(lǐng)先的 3D 打印金屬部件。然而，大多數(shù)通過 3D 打印制造的商用鈦合金在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中都沒有令人滿意的性能，尤其是它們?cè)谑覝睾透邷叵聬毫邮褂脳l件下的強(qiáng)度不足。

“我們的研究結(jié)果為商用合金的沉淀強(qiáng)化提供了一種全新的方法，可用于生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的真實(shí)部件以用于承重應(yīng)用。迄今為止，任何鈦合金都沒有這種應(yīng)用，”黃教授說。

“3D打印加上簡單的熱處理也意味著與其他強(qiáng)度相似的材料相比，工藝成本大大降低?！?

這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)有望導(dǎo)致對(duì)物理冶金領(lǐng)域強(qiáng)化和位錯(cuò)工程原理的基本見解。

各國都在開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金，努力使鈦合金進(jìn)入具有巨大市場潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域。