Nature Materials：3D打印鈦合金又一重量級成果，有望實現產業化升級

材料人編輯小單 1年前 (2022-10-02) 1716瀏覽

一、導讀

許多制造業的最終目標是迅速生產出又強又輕的復雜形狀金屬部件。增材制造(AM)是一種可以實現設計自由的技術，幾乎可以制造任何幾何零件。因此，AM正在引領多個行業的金屬制造新時代，包括航空航天、汽車、生物醫學和能源部門。但是大多數由AM制造的商用鈦合金在許多結構應用中沒有令人滿意的性能，特別是在室溫和高溫下的承重條件下的強度不足。低能量納米孿晶界(TBs)能有效地阻礙和傳遞位錯，提供優異的強度和良好的塑性。一般來說，在金屬中創建完全納米孿晶結構是一項挑戰，需要復雜的方法，如電沉積、濺射或嚴重的塑性變形等。即使這樣，含有大量納米孿晶組分的尺寸、形狀和熱穩定性通常都是有限的。本工作證明了鈦合金可以利用AM固有的熱循環和快速冷卻來實現獨特的納米沉淀微觀結構，。沉淀物本身是納米孿晶，平均孿晶厚度小于10nm。致密的納米孿晶沉淀具有前所未有的強度并保持良好的延展性。

二、成果掠影

最近，來自澳大利亞蒙納士大學增材制造中心的黃愛軍教授、朱玉滿高級研究員聯合上海理工大學、中科院金屬所、澳大利亞國立大學、澳大利亞迪肯大學以及美國俄亥俄州立大學的相關知名學者，揭示了增材制造可以利用熱循環和快速凝固來創造可能直接用于服役的超強和熱穩定的鈦合金。以一種商用鈦合金為例，經過簡單的熱處理后，其延伸率和抗拉強度均超過了1600 MPa。這種優異的性能是由于形成了在傳統加工的鈦合金中罕見地致密、穩定的內部納米孿晶沉淀物。這些納米孿晶沉淀物來源于具有螺旋特征的高密度位錯，在增材制造過程中自動形成。該工作為制造具有獨特微結構和優異性能的結構材料提供了廣闊的應用前景。相關成果以“Ultrastrong nanotwinned titanium alloys through additive manufacturing”為題發表在國際材料頂級期刊Nature Materials期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01359-2

三、核心創新點

(1)發明通過增材制造過程中的循環熱以及快速冷卻制備納米孿晶鈦合金；

(2)納米孿晶鈦合金具有非常優異的力學性能，可直接實現工程化應用；

  1. 為何熱處理時析出納米孿晶α相？是否與打印態材料的微觀組織有關？

是的，這是由于3D打印特有的快速凝固帶來的應變場，使得原始打印態有高密度的位錯，這些晶格缺陷是納米孿晶alpha相析出的主要原因之一?

  1. 530℃熱處理的材料中納米孿晶α相尺寸以及比例有何變化？與熱處理溫度有何關系？

溫度越高，則析出相尺寸越大，同時理論上說析出相比例會減小，但是這個需要很長時間處理（達到平衡態）

  1. 材料在宏觀尺度上是否會因為打印過程熱循環的存在導致空間上的組織不均勻性？是否會導致后續熱處理中納米孿晶α相只在部分區域析出？

理論上不會，3D打印的一個巨大優勢就是宏觀組織的均勻性（初始打印的幾層及最后一層除外，織構也除外）-他們是一個個的微小等同熔池堆積而成，由于這個析出主要由于晶格缺陷，這樣的晶格缺陷是相對均勻的。

  1. 鈦合金作為一種與鋼有相當力學性能的合金，未來其可以部分或完全替代鋼嗎？相比之下有哪些優缺點值得注意？

在某些領域高強鈦合金已經或者正在取代鋼，比如飛機起落架用材，高強鈦合金主要優點是比強度高（輕質），抗環境腐蝕，而同等強度的鋼的優點是成本低，剛度好- 根據各自的優點結合服役環境來選擇材料吧

  1. 該文章提出的方法是否可以打印高溫鈦合金？

不太適用高溫鈦合金，一般高溫鈦合金是近alpha合金，其打印態一般是馬氏體而不是亞穩beta相，這樣這種析出強化就無法實現?

四 數據概覽

圖1 通過LPBF（激光粉末床熔合）制備及熱處理后的商用β - C鈦合金拉伸的力學響應；a，在480°C/6 h和520°C/3 h下，3D打印樣品和熱處理后樣品的工程應力-應變曲線。b, LPBF β-C合金熱處理后比強度與均勻伸長率(UE)的相關性，并與AM制備的其他高強度鈦合金、鋼、鋁和鎳基高溫合金進行比較。

圖2 LPBF成型及熱處理后β - c鈦合金的顯微組織；a, BF TEM圖像顯示了微觀組織中密集的位錯。該圖像在{10}<110>β雙束條件下拍攝。?b, XRD譜證實了在制備和熱處理時微觀組織中存在的相。c, HAADF-STEM圖像顯示熱處理組織中密集的α-沉淀(480°c /6 h)。圖中黃色虛線為β基質中缺少典型的GB α相的GB的跡線。電子束平行于<100>β晶帶軸。

圖3 熱處理(480℃/6 h)后，納米孿晶α-在LPBF組織中析出。a - c, BF-STEM圖像顯示α-析出相中存在沿著三個方向的高密度片層。觀察方向平行于<111>β或{110}α; d.自局部區域的原子尺度HAADF -STEM圖像顯示三個α-變體具有{101}α-孿晶關系。TBs用黃色虛線表示，而每粒中的基面用白線表示。孿晶的某些邊緣和{103}α TB用紅色虛線表示。e，表示β-相和{101}α α-孿晶變體之間的Burgers OR的示意圖(用它們的晶胞表示)。透射束方向為<111>β或{110}α。f，原子分辨率HAADF-STEM圖像顯示{101}α TB中的溶質周期性偏析。圖像中的每個亮點表示一個富含Mo/ Zr的原子柱。插圖中的原子柱強度分布圖顯示了TB上兩個相鄰亮點(5.5 ?)與亮點及其左側相對暗點(2.5 ?)之間的距離。

 

圖4螺旋位錯周圍納米孿晶沉淀的MD模擬；a, 1 / 2 <111>β型螺位錯排列在純β模擬單元中。b，當三維拉伸應力在600 K作在單元胞時，在位錯線的不同位置觀察到三個α-析出相變體從三個{10}β平面成核。c - e，隨著加熱時間分別為37.5 ps (c)、52.5 ps (d)和67.5 ps (e)， α-析出相逐漸生長。三種α-析出相分別以黃色、紅色和藍色表示。

五、成果啟迪

在純金屬中獲得致密的納米孿晶可以獲得非常高的強度和足夠的延展性，但這種孿晶納米沉淀在任何合金中都沒有報道過。本文的工作揭示了AM固有的熱循環和快速凝固可以用來操縱獨特的析出組織以獲得優異的力學性能。這已經在一種商用鈦合金中實現，可以對工業應用產生直接影響。這項工作的發現有望為物理冶金領域的強化和位錯工程原理提供根本性的見解。

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