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《Nature Communications》: 消除3D打印鈦合金性能的不均勻性！

2022-08-18 11:37:12 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

增材制造（又通俗地稱(chēng)為3D打印）是根據(jù)三維模型將材料逐層堆積從而制造出實(shí)體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。然而，3D打印這種逐層疊加的特點(diǎn)，通常會(huì)致使已經(jīng)熔覆的金屬材料經(jīng)歷反復(fù)的熱循環(huán)過(guò)程。后者在打印過(guò)程作為一種“原位熱處理”，造成制造出的構(gòu)件具有自上而下的顯微組織與性能的不均勻性，從而可能導(dǎo)致部件在服役過(guò)程出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的失效。因此，3D打印的內(nèi)稟熱循環(huán)特點(diǎn)，對(duì)制造具有均勻性能的金屬構(gòu)件提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為解決上述問(wèn)題，澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授團(tuán)隊(duì)與南京理工大學(xué)沙剛教授、重慶大學(xué)黃曉旭教授、丹麥科技大學(xué)Jesper Henri Hattel教授等團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種合金設(shè)計(jì)思路以消除3D打印鈦合金中組成相和力學(xué)性能的不均勻性。合金設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將Ti-6Al-4V與純鈦（CP-Ti）以及氧化鐵（Fe2O3）原位合金化。通過(guò)添加CP-Ti稀釋Ti-6Al-4V中擴(kuò)散速率較慢的V，與此同時(shí)通過(guò)添加Fe2O3引入擴(kuò)散速率較快的Fe，從而獲得自上而下的均勻組織。另外，添加的Fe2O3為鈦基體提供了O，從而彌補(bǔ)了由于CP-Ti稀釋合金元素造成的強(qiáng)度下降。與Ti-6Al-4V相比，新開(kāi)發(fā)的鈦合金具有更加均勻且突出的力學(xué)性能。需要指出的是，本研究選用Fe2O3作為微量添加物以及采用不同添加比例的CP-Ti（25 wt %、50 wt %和75 wt %）和Fe2O3（0.25 wt % 和 0.50 wt %）是為了展現(xiàn)合金設(shè)計(jì)思路。根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路，通過(guò)尋找Fe2O3的替代品，或者通過(guò)調(diào)控兩種添加物的比例，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)度-塑性的柔性調(diào)控，從而可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

相關(guān)工作以“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上。該研究工作由國(guó)內(nèi)外多所高校合作完成，其中昆士蘭大學(xué)張敬奇博士和劉印剛博士為共同第一作者，昆士蘭大學(xué)張明星教授、重慶大學(xué)黃曉旭教授和南京理工大學(xué)沙剛教授為共同通訊作者。其他作者還包括南京理工大學(xué)靳慎豹博士、重慶大學(xué)侯自勇副教授、昆士蘭大學(xué)楊楠博士、譚啟玚博士、尹宇博士、劉師洋博士、Matthew Dargusch教授、丹麥科技大學(xué)Mohamad Bayat助理教授和Jesper Henri Hattel教授。

論文鏈接：

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

在3D打印金屬材料中，造成顯微組織和力學(xué)性能不均勻性的因素有很多。以往的研究主要集中在消除打印缺陷和柱狀晶方面。針對(duì)這兩個(gè)因素，通過(guò)打印參數(shù)優(yōu)化或者添加細(xì)化劑促進(jìn)晶粒細(xì)化可以有效消除，其核心策略是調(diào)控材料的凝固過(guò)程。然而對(duì)于可熱處理金屬材料，在3D打印過(guò)程不僅經(jīng)歷快速凝固時(shí)的液固轉(zhuǎn)變，還會(huì)在熱循環(huán)作用下發(fā)生固態(tài)相變。3D打印過(guò)程固有的熱循環(huán)通常會(huì)對(duì)材料進(jìn)行原位熱處理，從而引起顯微組織在空間上的不均勻分布。盡管這種組織特點(diǎn)在不同的合金體系（比如鈦合金、鋁合金、鈷合金、鎂合金、鎳基高溫合金、馬氏體鋼以及高熵合金）中均有報(bào)道，但目前尚未有效解決。

Ti-6Al-4V合金是鈦工業(yè)中的主力軍，也是3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的合金之一。然而采用激光粉末床熔融（L-PBF）制造出的Ti-6Al-4V構(gòu)件具有明顯的顯微組織不均勻性：頂端由于快速冷卻或者經(jīng)歷熱循環(huán)次數(shù)較少，顯微組織主要為馬氏體（α′）；而下端由于經(jīng)歷大量的熱循環(huán)，馬氏體經(jīng)過(guò)原位熱處理半分解或者全部分解為(α-+-β)片層組織。這種顯微組織的差異造成自上而下的塑性明顯不同。從合金元素角度來(lái)看，馬氏體分解與Ti-6Al-4V中元素的配分速率有關(guān)。

針對(duì)這一問(wèn)題，本研究根據(jù)鈦合金中合金元素?cái)U(kuò)散規(guī)律，選用CP-Ti和Fe2O3作為T(mén)i-6Al-4V的添加物，通過(guò)調(diào)控3D打印過(guò)程中材料的固態(tài)相變，從而獲得均勻的(α-+-β)片層組織。與以往通過(guò)消除3D打印組織中的柱狀晶來(lái)降低材料各向異性的策略不同，本研究通過(guò)消除組成相的不均勻性以獲得更加均勻的力學(xué)性能，同時(shí)也表明消除3D打印組織中組成相的不均勻性與細(xì)化柱狀晶對(duì)于獲得均勻力學(xué)性能同等重要。由于在3D打印金屬材料中熱循環(huán)導(dǎo)致組成相不均勻分布的現(xiàn)象普遍存在，我們預(yù)計(jì)本工作展現(xiàn)的合金設(shè)計(jì)思路能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)具有均勻力學(xué)性能的其他合金提供參考。