若何高效利用高氧钛粉？

据相识，钛合金是一种轻质高强金属结构资料。α-β 双相钛合金是钛工业的主干资料，自 20 世纪 50 年代以来，该类钛合金的出产重要通过向钛金属中增长铝和钒来实现。其中，铝被用于不变和强化 α 相钛，钒则被用于不变和强化 β 相钛。

氧和铁是两种储量丰硕、价值便宜的元素，它们别离能够不变和强化 α 相钛和 β 相钛。氧不变 α 相钛的能力约莫是铝的 10 倍；而铁不变 β 相钛的能力或许是钒的 4 倍。

然而，氧被宽泛称为」的克星”，原因在于，若是超过一个低的临界值含量，氧会极速增长钛合金的脆性。

铁固然是最强的 β 相钛不变动元素，但是，当把 2% 左右的铁作为重要的 β 相钛不变动元素参与钛合金之后，在通常的凝固前提下往往会形成难以解除的块状 β 斑，这会严沉影响组织的均匀性，进而对钛合金机能造成诸多不利影响。

因而，利用传统造作工艺造备高机能 α-β 双相 Ti-O-Fe 合金严沉受造于上述两个成分。

从原资料角度看，自 20 世纪 40 年代钛工业诞生以来，海绵钛金属的出产通常使用高能耗的克劳尔（Kroll）工艺。在这种工艺里，约莫有 5%-10% 的海绵钛存在铁超标或氧超标的情况，属于低等级或等级表海绵钛产品，无法用来出产高机能钛合金。

如果能把这些低等级或等级表海绵钛转化为高机能迪胙合金，必将带来沉要的经济价值和减排效应。

此表，氧和钛拥有极度强的结合能力。低氧钛粉在 3D 打印循环过程中，随着循环次数的增长，渣滓钛粉的氧含量会逐步增长进而可能超标。

并且，在非球形钛粉的出产工艺中，一部门钛粉不成预防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向是一个难题。

图 | 宋廷廷和恩师马前教授，布景为该钻研所用墨尔本皇家理工大学增材造作中心的激光金属粉末沉积设备

宋廷廷团队通过使用一种名为“定向能量沉积”的增材造作技术，课题组成功造备了这种 Ti-O-Fe 合金。通过扭转两种相对廉价、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 合金占有了与 Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其强度却越发高。这些新型高机能 Ti-O-Fe 合金有望获得多方面的利用，蕴含在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域。

图片图｜激光粉末沉积钛合金打印窗口（c 中绿区）和激光粉末沉积打印态 Ti-O-Fe 合金的微观结构 （详见论文图例诠释）。d–g 的比例尺是一百微米，h–k 的比例尺是一微米（起源：Nature）

图片图｜激光粉末沉积 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金室温下的拉伸力学机能（合金成分扭转，3D 打印工艺不变）（起源：Nature）

合金设计的初衷充分思考了低合金化和循环经济的思想，即思考到后续会利用铁、氧超标的等级表的海绵钛、来自打印循环过程中高氧含量的渣滓钛粉或其它蹊径的高氧含量迪胙粉，以及用氧量高的加工“废料”为原资料, 来造备这类新型钛合金。

该高延展性高强度 Ti-O-Fe 工作对该挑战有肯定的启发性，即能够思考通过合金设计的步骤，引入一个可能接受氧或其它间隙元素的第二组成相，再结合第一性道理推算来预测间隙元素的散布。同时，施以量身裁体的 3D 打印工艺，就有但愿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规划。

另表，他们还使用尖端技术来表征这一合金，例如使用三维原子探针技术，具体索求了 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金中的元素散布情况，精度能够达到原子级。

图片图｜激光粉末沉积 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金中 Fe 原子和 O 原子的散布（起源：Nature）

起源：中材市协钛资料分会