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《Nature Communications》: 消除3D打印鈦合金性能的不均勻性！

2022-08-18 11:37:12 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

增材制造（又通俗地稱為3D打印）是根據三維模型將材料逐層堆積從而制造出實體構件的先進制造技術。然而，3D打印這種逐層疊加的特點，通常會致使已經熔覆的金屬材料經歷反復的熱循環過程。后者在打印過程作為一種“原位熱處理”，造成制造出的構件具有自上而下的顯微組織與性能的不均勻性，從而可能導致部件在服役過程出現難以預測的失效。因此，3D打印的內稟熱循環特點，對制造具有均勻性能的金屬構件提出了嚴峻挑戰。

為解決上述問題，澳大利亞昆士蘭大學張明星教授團隊與南京理工大學沙剛教授、重慶大學黃曉旭教授、丹麥科技大學Jesper Henri Hattel教授等團隊合作，提出了一種合金設計思路以消除3D打印鈦合金中組成相和力學性能的不均勻性。合金設計的關鍵是將Ti-6Al-4V與純鈦（CP-Ti）以及氧化鐵（Fe2O3）原位合金化。通過添加CP-Ti稀釋Ti-6Al-4V中擴散速率較慢的V，與此同時通過添加Fe2O3引入擴散速率較快的Fe，從而獲得自上而下的均勻組織。另外，添加的Fe2O3為鈦基體提供了O，從而彌補了由于CP-Ti稀釋合金元素造成的強度下降。與Ti-6Al-4V相比，新開發的鈦合金具有更加均勻且突出的力學性能。需要指出的是，本研究選用Fe2O3作為微量添加物以及采用不同添加比例的CP-Ti（25 wt %、50 wt %和75 wt %）和Fe2O3（0.25 wt % 和 0.50 wt %）是為了展現合金設計思路。根據這一設計思路，通過尋找Fe2O3的替代品，或者通過調控兩種添加物的比例，能夠實現強度-塑性的柔性調控，從而可以滿足不同應用場合的需求。

相關工作以“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”為題，發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。該研究工作由國內外多所高校合作完成，其中昆士蘭大學張敬奇博士和劉印剛博士為共同第一作者，昆士蘭大學張明星教授、重慶大學黃曉旭教授和南京理工大學沙剛教授為共同通訊作者。其他作者還包括南京理工大學靳慎豹博士、重慶大學侯自勇副教授、昆士蘭大學楊楠博士、譚啟玚博士、尹宇博士、劉師洋博士、Matthew Dargusch教授、丹麥科技大學Mohamad Bayat助理教授和Jesper Henri Hattel教授。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32446-2

在3D打印金屬材料中，造成顯微組織和力學性能不均勻性的因素有很多。以往的研究主要集中在消除打印缺陷和柱狀晶方面。針對這兩個因素，通過打印參數優化或者添加細化劑促進晶粒細化可以有效消除，其核心策略是調控材料的凝固過程。然而對于可熱處理金屬材料，在3D打印過程不僅經歷快速凝固時的液固轉變，還會在熱循環作用下發生固態相變。3D打印過程固有的熱循環通常會對材料進行原位熱處理，從而引起顯微組織在空間上的不均勻分布。盡管這種組織特點在不同的合金體系（比如鈦合金、鋁合金、鈷合金、鎂合金、鎳基高溫合金、馬氏體鋼以及高熵合金）中均有報道，但目前尚未有效解決。

Ti-6Al-4V合金是鈦工業中的主力軍，也是3D打印技術應用最為廣泛的合金之一。然而采用激光粉末床熔融（L-PBF）制造出的Ti-6Al-4V構件具有明顯的顯微組織不均勻性：頂端由于快速冷卻或者經歷熱循環次數較少，顯微組織主要為馬氏體（α′）；而下端由于經歷大量的熱循環，馬氏體經過原位熱處理半分解或者全部分解為(α-+-β)片層組織。這種顯微組織的差異造成自上而下的塑性明顯不同。從合金元素角度來看，馬氏體分解與Ti-6Al-4V中元素的配分速率有關。

針對這一問題，本研究根據鈦合金中合金元素擴散規律，選用CP-Ti和Fe2O3作為Ti-6Al-4V的添加物，通過調控3D打印過程中材料的固態相變，從而獲得均勻的(α-+-β)片層組織。與以往通過消除3D打印組織中的柱狀晶來降低材料各向異性的策略不同，本研究通過消除組成相的不均勻性以獲得更加均勻的力學性能，同時也表明消除3D打印組織中組成相的不均勻性與細化柱狀晶對于獲得均勻力學性能同等重要。由于在3D打印金屬材料中熱循環導致組成相不均勻分布的現象普遍存在，我們預計本工作展現的合金設計思路能夠為開發具有均勻力學性能的其他合金提供參考。