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

日前，相關論文以《3D 打印高強度高塑性新型 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，原悉尼大學博士后、現香港理工大學陳子斌助理教授是共同一作，皇家墨爾本理工大學馬前教授和悉尼大學西蒙·林格教授擔任共同通訊作者。

通過使用一種名為“定向能量沉積”的增材制造技術，課題組成功制備了這種 Ti-O-Fe 合金。通過改變兩種相對廉價、甚至能免費獲取的合金元素（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用，包括在航空航天、生物醫(yī)學、化學工程、空間和能源技術等領域。

合金設計的初衷充分考慮了“少就是多”（即低合金化）和循環(huán)經濟的思想，即考慮到后續(xù)會利用鐵、氧超標的等級外的海綿鈦、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挑戰(zhàn)。

該高延展性高強度 Ti-O-Fe 工作對該挑戰(zhàn)有一定的啟發(fā)性，即可以考慮通過合金設計的方法，引入一個能夠“笑納”氧或其它間隙元素的第二組成相，再結合*性原理計算來預測間隙元素的分布。同時，施以量身裁體的 3D 打印工藝，就有希望針對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。

對于鈦合金來說，在 α 相鈦晶體的穩(wěn)定和強化上，氮的能力比氧還要出色。同時，氮很容易讓鈦變脆，因此鈦合金中的氮含量必須受到嚴格控制（<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*技術來表征這一合金，例如使用三維原子探針技術，詳細探索了 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金中的元素分布情況，精度可以達到原子級。

如何高效利用高氧鈦粉？

據介紹，鈦合金是一種輕質高強金屬結構材料。α-β 雙相鈦合金是鈦工業(yè)的主干材料，占據鈦合金應用市場的半壁江山（α 相鈦和 β 相鈦，都是鈦作為金屬晶體存在的一種方式，各自對應著特定的原子排列方式）。自 20 世紀 50 年代以來，該類鈦合金的生產主要通過向鈦金屬中添加鋁和釩來實現。其中，鋁被用于穩(wěn)定和強化 α 相鈦，釩則被用于穩(wěn)定和強化 β 相鈦。

氧和鐵是兩種儲量豐富、價格低廉的元素，它們分別可以穩(wěn)定和強化 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，如果超過一個低的臨界值含量，氧會極速增加鈦合金的脆性。

鐵雖然是*強的 β 相鈦穩(wěn)定化元素，但是，當把 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形成難以消除的塊狀 β 斑，這會嚴重影響組織的均勻性，進而對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 合金嚴重受制于上述兩個因素。

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

假如能把這些低等級或等級外海綿鈦轉化為高性能的鈦合金，必將帶來重要的經濟價值和減排效應。

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

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

   

“做完五輪實驗才摸出頭緒”  

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目（ARCDP180103205）說起，當時宋廷廷開始在皇家墨爾本理工大學增材制造中心，開展合金設計和 3D 打印工藝的研究。

后來在 2019 年 7 月，在第二屆亞太國際增材制造會議上，宋廷廷結識了悉尼大學的西蒙·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。對于在原子尺度上優(yōu)化合金設計、進而促成優(yōu)異的合金力學性能，起到了至關重要的作用。

宋廷廷表示：“研究期間還發(fā)生了一個難忘的瞬間：2022 年 1 月我們收到了 Nature 的*輪審稿意見，我著手補實驗和回復審稿意見。補實驗時遇到了接二連三的問題，直到做完五輪實驗才摸出頭緒�！�

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、激光粉末沉積設備預約爆滿。為了與時間賽跑，白天其他人用完設備之后，宋廷廷于晚上使用該設備進行 Ti-O-Fe 合金的 3D 打印。

一天晚上八點多，宋廷廷在中心廚房吃飯，一位她從讀博開始就認識的教授從外邊敲窗。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”。這時宋廷廷微笑著和他招了招手。

2022 年 10 月，宋廷廷此前申請的澳大利亞研究院杰出青年研究員項目名單公布。這位教授是*個發(fā)郵件祝賀她的人�！八�的郵件非常簡短，但我讀出了很多內容，這是一種被看見、被認可的感覺。”宋廷廷說。

而在未來，宋廷廷也將再接再厲。后續(xù)她計劃使用海綿鈦生產過程中所產生的鐵和氧超標的等級外海綿鈦作為制粉原料來實現這些合金的打印。她和團隊將收集在球形或非球形高氧鈦粉、以及鈦材加工過程中產生的氧含量高的廢料，來作為生產這類 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、降低成本為目標的可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經濟模式。”

另據悉，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)于山東大學和上海大學。博士分別就讀于澳洲昆士蘭大學和皇家墨爾本理工大學。

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

她表示：“皇家墨爾本理工大學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在輕質結構設計、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*強大的核心研究領域之一。在*近一次澳大利亞國家研究院*研究報告中，其在材料工程和制造工程兩個專業(yè)中均獲得‘遠高于世界標準’的肯定，其愿景是成為實施下一代澳大利亞先進制造技術的領導者。”