3D打印超均勻高性能鈦合金登上最新Science!!!

【導讀】?

3D打印（增材制造，AM）金屬材料通常涉及多種物理和冶金現象，上述現象生成特定的微觀結構呈現出變化多端的機械性能。對于凝固過程初生相為立方晶胞晶體結構的金屬材料，初生晶粒通常沿著熔池最大溫度梯度方向擇優生長，并且在重熔的條件下呈現很強的外延生長傾向。雖然這種具有強織構的柱狀晶結構對某些特定的應用有利，但是由于它不僅降低材料的力學性能（尤其是強度）并且還導致力學性能出現各向異性，所以通常被認為是不利組織。另一方面，3D打印過程逐層熔融形成的循環能量輸入，會對沉積材料產生“原位熱處理”效應，導致初生相的分解或者新相的析出，進而致使打印構件內的組成相沿著打印方向呈現不均勻分布。這種組織特點對獲得均勻的力學性能增加了額外的挑戰。雖然打印后均勻化熱處理通常能夠消除組成相的不均勻性，但是會增加部件的生產時間與成本，同時對消除柱狀晶的作用有限。因此，3D打印構件內部強織構柱狀晶與不均勻分布組成相兩者共存，對獲得均勻且優異的力學性能帶來了極大的難度。

【成果掠影】?

基于此，澳大利亞昆士蘭大學（Matthew S. Dargusch教授團隊）、重慶大學（黃曉旭教授團隊）和丹麥科技大學（Mohamad Bayat教授團隊）的研究者提出了一種直接從3D打印中解鎖組織高度均勻且性能增強的合計設計策略。研究人員采用Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr作為模型合金，添加鉬（Mo）納米顆粒，一方面凝固過程眾未溶解的Mo顆粒可以促進晶粒細化，另一方面，溶解的Mo抑制固態熱循環過程中有害相的形成。雙功能性Mo納米顆粒添加可獲得高度均勻的機械性能，同時提高了強度和延展性。本研究展示了通過單一成分對這種合金進行改性，直接通過3D打印實現所需的機械性能和均勻性提供了途徑。相關研究成果以“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design”為題發表在Science上。

【核心創新點】?

1、在3D打印鈦合金中添加Mo納米顆粒，凝固過程中，未溶解的Mo細化晶粒。

2、后續熱循環過程中，溶解的Mo抑制有害相的形成。

【數據概覽】

圖1、L-PBF法制備Ti-5553的微觀結構和力學性能?? 2024 AAAS

圖2、L-PBF法制備Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力學性能?? 2024 AAAS

圖3、Ti-5553和Ti-5553+5Mo的微觀結構?? 2024 AAAS

圖4、Mo納米顆粒與鈦基體界面的TEM表征和DICTRA模擬?? 2024 AAAS

圖5、Ti-5553和Mo摻雜Ti-5553的相分析?? 2024 AAAS

【成果啟示】?

綜上，研究人員探索了如何同時解決L-PBF生產的Ti-5553合金中柱狀晶粒和不均勻分布相的形成問題。研究表明，向Ti-5553中添加5.0wt%的Mo納米顆粒會導致顯著的柱狀晶向等軸晶的轉變（CET）和晶粒細化，作者將其歸因于部分未熔化的Mo顆粒上的非均勻成核，溶解的Mo溶質形成過冷卻區，從而提高晶粒細化效率。此外，溶解的Mo溶質能夠通過穩定β相來消除Ti-5553中的相不均勻性。與Ti-5553相比，新合金Ti-5553+5Mo打印態表現出更均勻的力學性能、更高的強度和延展性，該合金設計策略可用于指導其他合金的設計。

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