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港理工大學研發以3D打印創造新型高強度鈦合金

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2023-07-24 11:48 | 稿件來源:香港新聞網

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香港新聞網7月24日電 香港理工大學24日公佈,理大的科學家與澳洲墨爾本皇家理工大學和雪梨大學合作,成功利用3D打印技術(又稱增材製造)研製出高強度、高塑性的新型鈦合金,同時為鈦合金工業生產長期面對的品質性能和廢料處理問題提供了有效解決方案。研究成果已發表於國際科學期刊《自然》(Nature)。

圖片來源:理工大學。圖示:理大工業及系統工程學系講座教授(製造工程)陳鏡昌(右)、助理教授陳子斌(左)

鈦合金是先進的輕質材料,常用於各種關鍵應用。研究團隊的創新發現開拓了3D打印製造鈦合金及其他金屬物料的潛在應用,有望降低成本、提高物料性能,同時積極推動可持續發展的循環經濟模式。

氧和鐵是兩種儲量富豐、價錢合理的元素,而且可以分別使α和β兩相鈦合金穩定和變強。研究團隊利用3D打印技術,成功生產了一種結合了氧和鐵的新型鈦合金“α–β Ti-O-Fe合金”,其特點是強度與塑性俱高,而且應用潛力優厚,能於航空航天、海洋工程、消費電子和生物醫療設備等領域發揮作用,有助積極推動可持續發展。與自1954年發明以來廣泛使用的基準材料“Ti-6AI-4V鈦合金”相比,研究團隊最新研發的新型鈦合金的機械性能更勝一籌,除了良好的延展性,強度也更高。

圖片來源:理工大學。圖示:理大工業及系統工程學系講座教授(製造工程)陳鏡昌(右)、助理教授陳子斌(左)

雖然這種新型鈦合金可以利用鑄造法等傳統工藝生產,但效果遜色,不適合實際工程應用。3D打印技術能有效克服傳統工藝缺點,製作出高性能鈦合金。

鈦合金傳統上以能源密集的Kroll工藝生產,過程中無可避免地產出約10%劣質“海綿鈦”,由於劣質廢料本身仍含有很多氧和鐵,所以會造成大量浪費、推高生產成本。研究團隊提出的新方案利用3D打印技術製造方法,可回收劣質廢料,並有效轉化為原材料粉末再投入生產。此外,這種新的合金設計以低合金化和素化為基礎思維,可把合金元素減至最少。現時佔據主流的Ti-6Al-4V中含有10%的合金元素,而且其中的釩毒性較大,所以研究團隊的低合金化與素化理念能帶來改變,為實現可持續發展帶來裨益。

理大工業及系統工程學系助理教授陳子斌是研究報告的其中一位主要作者,他亦是理大首屆“青年創新研究者獎”的得獎者。陳子斌表示,本研究令金屬合金製造業所產生的逾10%廢棄物得以回收,能大幅降低工業材料和能源成本,並有助於減少碳足跡,為環境可持續發展作出貢獻。

該研究結合合金設計、計算模擬和實驗表徵等方法,探索新型“Ti-O-Fe”鈦合金的3D打印製造流程、微結構和性能。

現代的3D打印技術能一步到位地製成複雜的功能性金屬零件,有助節省產品開發的時間和成本。該技術還突破了傳統方法的限制,能夠製造出結構和成分特殊的金屬零件。在質量方面,3D打印製造法能調整金屬合金的微結構,不但使其強度更高、塑性更好、耐腐蝕性更優秀,還能夠製造出價廉、堅固,而且內部複雜結構的金屬零件。這項研究突破,為3D打印製造法提供了全面和可持續的材料設計策略,開拓了更廣闊的應用前景。

理大工業及系統工程學系講座教授(製造工程)陳鏡昌是本研究的合著者,他表示,本研究可以作為其他金屬合金製造法的模型或基準,利用3D打印技術來提高性能,創造更多可能性。3D打印金屬是新興領域,相信未來將在材料製造領域中愈來愈盛行。(完)

【編輯:崔靜雯】

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