3D打印钛合金登上Science

1.【导读】

金属和合金的3D打印或增材制造（AM）通常涉及多种物理和冶金现象，这些现象在制造的产品中赋予复杂的微观结构和不同的机械性能。对于以立方晶体结构固化的金属合金，柱状晶粒通常在3D打印部件中占主导地位，因为具有容易生长<100>方向的晶粒倾向于与熔池的最大温度梯度紧密对准，并从部分熔化的层外延生长。尽管这种高度织构化的柱状晶粒结构对某些应用是有益的，但在大多数情况下它会降低机械性能并导致机械性能各向异性。更复杂的是，包括钛合金在内的许多同素异形合金系统也容易受到与3D打印过程中经历的固态热循环相关的相的不均匀分布的影响，使得实现均匀和优异的机械性能合金变得极具挑战性。

2.【成果掠影】

基于此，澳大利亚昆士兰大学Matthew S. Dargusch教授团队展示了一种直接从3D打印中解锁一致性和增强特性的设计策略，通过同时控制激光粉末床熔融（L-PBF）制造的产品的晶粒结构和组成相来解决这一难题。研究人员使用Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr作为模型合金，发现添加钼（Mo）纳米颗粒可以促进凝固过程中的晶粒细化（向Ti-5553中添加5.0 wt % Mo记作Ti-5553+5Mo），并抑制固态热循环过程中相不均匀性的形成。双功能添加剂引起的微观结构变化导致均匀的机械性能，同时提高了强度和延展性。本研究展示了通过单一成分对这种合金进行改性，以解决不利的微观结构，为直接通过3D打印实现所需的机械特性提供了途径。相关研究成果以“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design”为题发表知名期刊Science上。

3.【核心创新点】

• 在3D打印钛合金中添加Mo纳米颗粒，解决了不需要的亚稳相和柱状晶体的难题。
• 揭示了Mo纳米颗粒导致显著的CET和晶粒细化机理，并证明该方法的通用性。

4.【数据概览】

图1. L-PBF法制备Ti-5553的微观结构和力学性能 © 2024 AAAS

图2. L-PBF法制备Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力学性能 © 2024 AAAS

图3. Ti-5553和Ti-5553+5Mo的微观结构 © 2024 AAAS

图4. Mo颗粒与钛基体界面的TEM表征和DICTRA模拟 © 2024 AAAS

图5. Ti-5553和Mo掺杂Ti-5553的相位分析 © 2024 AAAS

5.【成果启示】

综上，研究人员探索了如何同时解决L-PBF生产的Ti-5553合金中柱状晶粒和不均匀分布相的形成问题。研究表明，向Ti-5553中添加高达5.0wt%的Mo会导致显著的柱状晶向等轴晶的转变（CET）和晶粒细化，作者将其归因于部分未熔化的Mo颗粒上的非均匀成核，溶解的Mo溶质形成过冷却区，从而提高晶粒细化效率。此外，溶解的Mo溶质能够通过稳定β相来消除Ti-5553中的相不均匀性。与Ti-5553相比，Ti-5553+5Mo表现出更高的强度、更高的延展性和更均匀的拉伸性能。在通过3D打印生产的各种金属合金中经常报道柱状晶粒和不均匀分布相，因此本研究预计该设计策略可能适用于本文所考虑的钛合金之外，还可以指导其他合金的设计。

原文详情：Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design (Science, 2024, 383, 639-645)

本文由大兵哥供稿。