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 印工藝設計，成功製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列印高強度高塑性新型Ti-O-Fe合金》（Strong and ductile titanium-oxygen-iron alloys by additive manufacturing）為題發表於 Nature 上。
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以低成本原材料製備新型鈦合金
研究團隊通過使用“定向能量沉積”的增材製造技術，成功製備了這種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，包括在航空航太、生物醫學、化學工程、空間和能源技術等領域。
圖1鐳射粉末沉積鈦合金列印視窗（c 中綠區）和鐳射粉末沉積列印態 Ti-O-Fe 合金的微觀結構 （詳見論文圖例解釋）。d–g 的比例尺是一百微米，h–k 的比例尺是一微米
圖2 鐳射粉末沉積3D列印態Ti-O-Fe合金室溫下的拉伸力學性能（合金成分改變，3D 列印工藝不變）
合金設計的初衷充分考慮了“少就是多”（即低合金化）和迴圈經濟的思想，即考慮到後續會利用鐵、氧超標的等級外的海綿鈦、來自3D列印迴圈過程中高氧含量的剩餘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, 來製備這類新型鈦合金。
此外，由氧所引發的脆性問題，發生在鈦合金身上，也見諸於其他金屬和合金，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。
該高延展性、高強度Ti-O-Fe工作對該挑戰有一定的啟發性，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，再結合第一性原理計算來預測間隙元素的分佈。同時，施以量身裁體的 3D 列印工藝，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。
對於鈦合金來說，在α相鈦晶體的穩定和強化上，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，則有望造出基於3D列印的高性能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，適用於鈦合金的概念，理論上也有望用於鋯合金。
另外，他們還使用尖端技術來表徵這一合金，例如使用三維原子探針技術，詳細探索了3D列印態Ti-O-Fe合金中的元素分佈情況，精度可以達到原子級。
圖3 鐳射粉末沉積 3D 列印態 Ti-O-Fe 合金中 Fe 原子和O原子的分佈
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的主幹材料，佔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，鋁被用於穩定和強化 α 相鈦，釩則被用於穩定和強化 β 相鈦。
氧和鐵是兩種儲量豐富、價格低廉的元素，它們分別可以穩定和強化α相鈦和β相鈦。氧穩定α相鈦的能力大約是鋁的10倍；而鐵穩定β相鈦的能力大概是釩的4倍。
然而，氧被廣泛稱為“鈦的剋星”，原因在於，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。
鐵雖然是最強的β相鈦穩定化元素，但是，當把2%左右的鐵作為主要的β 相鈦穩定化元素加入鈦合金之後，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，利用傳統製造工藝製備高性能α-β雙相Ti-O-Fe合金嚴重受制於上述兩個因素。
從原材料角度看，自20世紀40年代鈦工業誕生以來，海綿鈦金屬的生產通常使用高能耗的克勞爾（Kroll）工藝。在這種工藝裡，大約有5%-10%的海綿鈦存在鐵超標或氧超標的情況，屬於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列印迴圈過程中，隨著迴圈次數的增加，剩餘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。
論文引用資訊：
Song, T., Chen, Z., Cui, X. et Al. Strong and ductile titanium–oxygen–iron Alloys by additive manufacturing. Nature 618, 63–68 （2023）. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05952-6
研究團隊
宋廷廷是第一作者，原悉尼大學博士後、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。
宋廷廷和恩師馬前教授，背景為該研究所用墨爾本皇家理工大學增材製造中心的鐳射金屬粉末沉積設備（來源：宋廷廷）
