3D打印超均匀高性能钛合金登上最新Science!!!

【导读】 

3D打印（增材制造，AM）金属材料通常涉及多种物理和冶金现象，上述现象生成特定的微观结构呈现出变化多端的机械性能。对于凝固过程初生相为立方晶胞晶体结构的金属材料，初生晶粒通常沿着熔池最大温度梯度方向择优生长，并且在重熔的条件下呈现很强的外延生长倾向。虽然这种具有强织构的柱状晶结构对某些特定的应用有利，但是由于它不仅降低材料的力学性能（尤其是强度）并且还导致力学性能出现各向异性，所以通常被认为是不利组织。另一方面，3D打印过程逐层熔融形成的循环能量输入，会对沉积材料产生“原位热处理”效应，导致初生相的分解或者新相的析出，进而致使打印构件内的组成相沿着打印方向呈现不均匀分布。这种组织特点对获得均匀的力学性能增加了额外的挑战。虽然打印后均匀化热处理通常能够消除组成相的不均匀性，但是会增加部件的生产时间与成本，同时对消除柱状晶的作用有限。因此，3D打印构件内部强织构柱状晶与不均匀分布组成相两者共存，对获得均匀且优异的力学性能带来了极大的难度。

【成果掠影】 

基于此，澳大利亚昆士兰大学（Matthew S. Dargusch教授团队）、重庆大学（黄晓旭教授团队）和丹麦科技大学（Mohamad Bayat教授团队）的研究者提出了一种直接从3D打印中解锁组织高度均匀且性能增强的合计设计策略。研究人员采用Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr作为模型合金，添加钼（Mo）纳米颗粒，一方面凝固过程众未溶解的Mo颗粒可以促进晶粒细化，另一方面，溶解的Mo抑制固态热循环过程中有害相的形成。双功能性Mo纳米颗粒添加可获得高度均匀的机械性能，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，直接通过3D打印实现所需的机械性能和均匀性提供了途径。相关研究成果以“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design”为题发表在Science上。

【核心创新点】 

1、在3D打印钛合金中添加Mo纳米颗粒，凝固过程中，未溶解的Mo细化晶粒。

2、后续热循环过程中，溶解的Mo抑制有害相的形成。

【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纳米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的相分析 © 2024 AAAS

【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5.0wt%的Mo纳米颗粒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，新合金Ti-5553+5Mo打印态表现出更均匀的力学性能、更高的强度和延展性，该合金设计策略可用于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)