四校聯合Nat. commun.:3D打印鈦合金又取得了重大突破！

一、 導讀

增材制造(AM)可以通過連續添加材料來創建數字化設計的零件。AM的這一特性是一把雙刃劍。一方面，它提供了生產理想形狀、微結構和性能的零件可能性。另一方面，AM過程中固有的熱梯度、高的冷卻速率以及復雜的熱歷史通常會導致孔隙、元素偏析、柱狀晶粒和組織中不均勻的相分布（無論是在凝固過程中還是在隨后的固態相變過程中），這導致金屬部件不同位置力學性能的不均勻。通過控制工藝參數和合金成分，與孔隙、元素偏析和柱狀晶粒有關的問題得到了有效解決。然而，在凝固后發生固態轉變的合金中，幾乎不可避免地會發生相不均勻性。實現均勻的力學性能仍然是一個長期的挑戰。這種現象在具有復雜幾何形狀的附件中更為明顯。

二、成果掠影

近日，來自澳大利亞昆士蘭大學張明星教授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教授等團隊相互合作，提出了一種協同合金設計方法來克服激光粉末床熔合制造鈦合金的這一問題。方法的關鍵是結合純鈦粉末和氧化鐵(Fe2O3)納米顆粒原位合金化Ti - 6Al - 4V(重量百分比)。通過加入純鈦粉和氧化鐵(Fe2O3)不僅可以稀釋V濃度，同時還引入少量Fe來原位消除了相異質性，而且還可以彌補氧溶質強化造成的強度損失。該合金具有三維均勻的組織和力學性能，優于Ti - 6Al - 4V合金。這項研究有助于指導其他合金的設計，不僅克服了AM工藝固有的挑戰，而且提供設計具有良好力學性能AM的合金新思路。相關成果以“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”為題發表在國際著名期刊Nature communications上。

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

三、核心創新點

提出一種原位合成三維空間具有均勻顯微組織和力學性能的AM工藝，可將其推廣應用到其它合金的設計中。

四、數據概覽

圖1 Ti?6Al?4V與新開發的激光動力床熔合(L-PBF)合金(25Ti?0.25O)的組織和拉伸性能比較；a. L-PBF過程示意圖和不同位置的部件所經歷的固有熱循環；b.掃描電子顯微鏡(SEM)和背散射電子(BSE)顯微圖顯示Ti?6Al?4V沿打印方向(BD)的空間相分布；注意頂部表面主要由針狀α′馬氏體組成，較低的區域由于更多的熱循環，顯示了α′馬氏體的部分分解。可以看到α′馬氏體、α相和β相，如白色箭頭所示。底區呈清晰的層狀(α + β)組織。c. Ti?6Al?4V沿豎直和水平方向的拉伸工程應力-應變曲線。插圖為從預制部件制備垂直和水平拉伸試樣的示意圖。沿打印方向的水平受拉試件標為H1 ~ H6。d. SEM-BSE顯微圖顯示了新研制的25Ti?0.25O合金中均勻分布的片層(α + β)組織；從上表面到下表面，可以觀察到清晰的層狀(α + β)組織。e, 25Ti?0.25O合金沿垂直和水平方向的拉伸工程應力-應變曲線。插圖為拉伸試樣的制備方法，與Ti?6Al?4V相同。@ springer Nature communications

圖2 原料制備及表征；a. 表面工程方法制備原料過程示意圖(方法)。 PSS和PDDA分別是聚(4-苯乙烯磺酸鈉)和聚(二烯丙基二甲基氯化銨)。b未添加Fe₂O₃懸浮液加工Ti?6Al?4V和CP?Ti粉末； c，添加Fe₂O₃懸浮液加工Ti?6Al?4V和CP?Ti粉末；d，機械混合與表面工程制備原料的比較。e和f，SEM和能譜(EDS)圖像顯示了設計的50Ti?0.25O合金粉末原料中CP?Ti (e)和Fe₂O₃ (f)的均勻分布。@ springer Nature communications

圖3 新開發L-PBF合金的力學性能；a. 沿垂直和水平方向的拉伸工程應力-應變曲線，表明均勻的拉伸性能；b. Ti - 6Al - 4V合金和新開發合金的縱向和橫向斷裂延伸率。Ti?6Al?4V與橙色線的顯著數據偏差表明在延性中存在高度的散射。誤差條表示平均值的標準偏差。c 本文設計的合金與L-PBF(包括預制態和熱處理態)、定向能沉積(DED)和電子束基粉末層聚變(EB-PBF)制備的Ti?6Al?4V(以及Ti?6Al?4V基復合材料)合金的拉伸性能比較。@ springer Nature communications

圖4 新開發合金的原子探針 (APT)表征；?a, b對不同Fe₂O3添加量(a, 50Ti?0.25O, b, 50Ti?0.5O)樣品中Fe分布進行了三維重構；c, d在(a)(用黑色虛線循環標記)和(b)(用黑色虛線矩形標記)中橫跨β相的距離直方圖，顯示了在β相中富集(Fe和V)，貧 (O和Al)；e根據APT數據得出Fe、V、Al和O的元素分配系數K^?1(由C_β/C_α定義，其中C_β為富集特征區內的濃度，C_α為富集特征區外的濃度)；注意，高分配系數表明一種元素在這些區域的積累，而K^-1 <1表示元素耗盡。可以看出，Fe的分配率比V高得多。誤差條表示平均值的標準差。@Springer Nature communications

五、成果啟迪

3D打印合金的組織和力學性能的不均勻性是亟待解決的長期挑戰，本文創造性的將原位合成技術與增材制造工藝相結合，成功地解決了這一難題，是本領域的一項重要突破。