科学家用3D打印造出高性能钛-氧-铁合金，助力解决“氧脆化”难题

近日，澳洲皇家墨尔本理工大学校长特聘研究员宋廷廷所在的马前教授（Distinguished Professor）团队与悉尼大学西蒙·林格（Simon Ringer）教授团队合作，通过契合钛合金设计和 3D 打印工艺设计，成功制备了一类新型高性能钛-氧-铁（Ti-O-Fe）合金。

日前，相关论文以《3D 打印高强度高塑性新型 Ti-O-Fe 合金》（Strong and ductile titanium-oxygen-iron alloys by additive manufacturing）为题发表于 Nature 上。

宋廷廷是*作者，原悉尼大学博士后、现香港理工大学陈子斌助理教授是共同一作，皇家墨尔本理工大学马前教授和悉尼大学西蒙·林格教授担任共同通讯作者。

通过使用一种名为“定向能量沉积”的增材制造技术，课题组成功制备了这种 Ti-O-Fe 合金。通过改变两种相对廉价、甚至能免费获取的合金元素（Fe 和 O）在 Ti 合金中的比例，Ti-O-Fe 合金拥有了与 Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其强度却更加高。这些新型高性能 Ti-O-Fe 合金有望获得多方面的应用，包括在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域。

合金设计的初衷充分考虑了“少就是多”（即低合金化）和循环经济的思想，即考虑到后续会利用铁、氧超标的等级外的海绵钛、来自打印循环过程中高氧含量的剩余钛粉或其它途径的高氧含量的钛粉，以及用氧量高的加工“废料”为原材料, 来制备这类新型钛合金。

此外，由氧所引发的脆性问题，发生在钛合金身上，也见诸于其他金属和合金，比如铌、钼、以及锆。如何解决或降低由此类间隙元素造成的脆性问题是物理冶金上一个挑战。

该高延展性高强度 Ti-O-Fe 工作对该挑战有一定的启发性，即可以考虑通过合金设计的方法，引入一个能够“笑纳”氧或其它间隙元素的第二组成相，再结合*性原理计算来预测间隙元素的分布。同时，施以量身裁体的 3D 打印工艺，就有希望针对由氧元素或类似间隙元素引起的脆性问题提供有效解决方案。

对于钛合金来说，在 α 相钛晶体的稳定和强化上，氮的能力比氧还要出色。同时，氮很容易让钛变脆，因此钛合金中的氮含量必须受到严格控制（<0.05%）。而借助本次研究所展示的思路，则有望造出基于 3D 打印的高性能 Ti-N-Fe 合金。另外，海绵锆与海绵钛的生产思路是一致的。因此，适用于钛合金的概念，理论上也有望用于锆合金。

另外，他们还使用*技术来表征这一合金，例如使用三维原子探针技术，详细探索了 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金中的元素分布情况，精度可以达到原子级。

如何高效利用高氧钛粉？

据介绍，钛合金是一种轻质高强金属结构材料。α-β 双相钛合金是钛工业的主干材料，占据钛合金应用市场的半壁江山（α 相钛和 β 相钛，都是钛作为金属晶体存在的一种方式，各自对应着特定的原子排列方式）。自 20 世纪 50 年代以来，该类钛合金的生产主要通过向钛金属中添加铝和钒来实现。其中，铝被用于稳定和强化 α 相钛，钒则被用于稳定和强化 β 相钛。

氧和铁是两种储量丰富、价格低廉的元素，它们分别可以稳定和强化 α 相钛和 β 相钛。氧稳定 α 相钛的能力大约是铝的 10 倍；而铁稳定 β 相钛的能力大概是钒的 4 倍。

然而，氧被广泛称为“钛的克星”，原因在于，如果超过一个低的临界值含量，氧会极速增加钛合金的脆性。

铁虽然是*强的 β 相钛稳定化元素，但是，当把 2% 左右的铁作为主要的 β 相钛稳定化元素加入钛合金之后，在通常的凝固条件下往往会形成难以消除的块状 β 斑，这会严重影响组织的均匀性，进而对钛合金性能造成诸多不利影响。

因此，利用传统制造工艺制备高性能 α-β 双相 Ti-O-Fe 合金严重受制于上述两个因素。

从原材料角度看，自 20 世纪 40 年代钛工业诞生以来，海绵钛金属的生产通常使用高能耗的克劳尔（Kroll）工艺。在这种工艺里，大约有 5%-10% 的海绵钛存在铁超标或氧超标的情况，属于低等级或等级外海绵钛产品，无法用来生产高性能钛合金。

假如能把这些低等级或等级外海绵钛转化为高性能的钛合金，必将带来重要的经济价值和减排效应。

此外，氧和钛具有非常强的结合能力。低氧钛粉在 3D 打印循环过程中，随着循环次数的增加，剩余钛粉的氧含量会逐渐增加进而可能超标。

而且，在非球形钛粉的生产工艺中，一部分钛粉不可避免会含有较高的氧含量。目前对这些高氧钛粉的有效再利用一直是一个难题。本研究也为解决这一难题提供了一个新的途径。

   

“做完五轮实验才摸出头绪”  

此次课题要从四年前马前教授获得澳大利亚研究院资助项目（ARCDP180103205）说起，当时宋廷廷开始在皇家墨尔本理工大学增材制造中心，开展合金设计和 3D 打印工艺的研究。

后来在 2019 年 7 月，在第二届亚太国际增材制造会议上，宋廷廷结识了悉尼大学的西蒙·林格（Simon Ringer）教授、廖晓舟教授以及目前任职于香港理工大学的陈子斌助理教授。自此，他们展开了本次合作。西蒙·林格教授和廖晓舟教授所在的悉尼大学电镜中心，拥有世界*的透射电子显微镜和三维原子探针技术。对于在原子尺度上优化合金设计、进而促成优异的合金力学性能，起到了至关重要的作用。

宋廷廷表示：“研究期间还发生了一个难忘的瞬间：2022 年 1 月我们收到了 Nature 的*轮审稿意见，我着手补实验和回复审稿意见。补实验时遇到了接二连三的问题，直到做完五轮实验才摸出头绪。”

2022 年 6 月，墨尔本遭遇新一轮的新冠疫情，增材制造中心工作人员短缺、激光粉末沉积设备预约爆满。为了与时间赛跑，白天其他人用完设备之后，宋廷廷于晚上使用该设备进行 Ti-O-Fe 合金的 3D 打印。

一天晚上八点多，宋廷廷在中心厨房吃饭，一位她从读博开始就认识的教授从外边敲窗。隔着玻璃他俩相互听不到，这位教授敲敲窗户、指指手表，意思是说“这么晚了你在这儿干嘛”。这时宋廷廷微笑着和他招了招手。

2022 年 10 月，宋廷廷此前申请的澳大利亚研究院杰出青年研究员项目名单公布。这位教授是*个发邮件祝贺她的人。“他的邮件非常简短，但我读出了很多内容，这是一种被看见、被认可的感觉。”宋廷廷说。

而在未来，宋廷廷也将再接再厉。后续她计划使用海绵钛生产过程中所产生的铁和氧超标的等级外海绵钛作为制粉原料来实现这些合金的打印。她和团队将收集在球形或非球形高氧钛粉、以及钛材加工过程中产生的氧含量高的废料，来作为生产这类 Ti-O-Fe 合金的原料。

她说：“希望我们的后续工作，能真正地助力于以降耗减排、降低成本为目标的可持续发展的循环经济模式。”

另据悉，宋廷廷来自山东省邹平市九户镇北宋村。其本科和硕士分别毕业于山东大学和上海大学。博士分别就读于澳洲昆士兰大学和皇家墨尔本理工大学。

2016 年 5 月到 2022 年 12 月，她在皇家墨尔本理工大学增材制造中心担任博士后。2023 年 1 月她开始在皇家墨尔本理工大学担任校长特聘研究员。

她表示：“皇家墨尔本理工大学增材制造中心成立于 2010 年，投资超过 3500 万美元，汇集了皇家墨尔本理工大学在轻质结构设计、材料工程和增材制造方面的精英，它是皇家墨尔本理工大学*强大的核心研究领域之一。在*近一次澳大利亚国家研究院*研究报告中，其在材料工程和制造工程两个专业中均获得‘远高于世界标准’的肯定，其愿景是成为实施下一代澳大利亚先进制造技术的领导者。”

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