2024年3D打印技術(shù)領(lǐng)域第二篇Science文章于2月8日發(fā)表。

來(lái)自澳大利亞昆士蘭大學(xué)（Jingqi Zhang等）、重慶大學(xué)（Ziyong Hou 、Xiaoxu Huang）、丹麥技術(shù)大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design（通過(guò)雙功能合金設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超均勻、高強(qiáng)度且具有延展性的3D打印鈦合金）”文章。3D打印制備的鈦合金達(dá)到926MPa的屈服強(qiáng)度和26%的延展性，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與延展性的均衡。

研究背景在金屬3D打印過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)粗大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，導(dǎo)致機(jī)械性能不均勻甚至較差。研究涉及一種設(shè)計(jì)策略，可直接通過(guò)3D打印獲得高強(qiáng)且性能一致的鈦合金的方法。研究表明，在粉末金屬混合物中添加鉬（Mo）增強(qiáng)了相穩(wěn)定性，并提高了3D打印合金的強(qiáng)度、延展性和拉伸性能的均勻性。Science同期評(píng)論文章指出，該方法有望應(yīng)用于其他粉末混合物，并能夠定制具有增強(qiáng)性能的不同合金。

導(dǎo)致金屬3D打印合金性能不均勻的主要原因是：在逐層3D打印過(guò)程中，通常具有10³-10⁸K/s的高冷卻速率，在金屬粉末熔化的熔池邊緣和底部附近形成顯著的熱梯度。熱梯度引起沿著新熔化材料和下面固體材料之間的界面外延晶粒生長(zhǎng)，晶粒朝熔池中心生長(zhǎng)。多層打印過(guò)程中的加熱和部分重熔循環(huán)最終導(dǎo)致形成大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，這兩者都是不希望出現(xiàn)的，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致各向異性和受損的機(jī)械性能降低。

各類金屬材料的強(qiáng)度-延展性

鈦合金是應(yīng)用最廣泛的金屬3D打印材料之一。在環(huán)境溫度下的工程應(yīng)用中，合適的鈦合金通常表現(xiàn)出10％-25％的拉伸伸長(zhǎng)率，這反映了良好的材料可靠性。盡管更大的伸長(zhǎng)率（延展性）有利于更容易成型，并且在某些應(yīng)用中具有優(yōu)先地位，但在該伸長(zhǎng)率范圍內(nèi)增加強(qiáng)度對(duì)于承受機(jī)械負(fù)載來(lái)說(shuō)通常被優(yōu)先選擇。在加工金屬材料的傳統(tǒng)和增材制造技術(shù)中，一直需要考慮強(qiáng)度和延展性之間的平衡。

提高強(qiáng)度和延展性的策略與限制

提高3D打印合金強(qiáng)度和延展性的策略有多種。其中包括優(yōu)化合金設(shè)計(jì)、工藝控制、細(xì)晶界強(qiáng)化和晶粒微觀結(jié)構(gòu)改性，還包括抑制不需要的（脆性）相、引入第二相以及進(jìn)行后處理。目前，解決柱狀晶體和不良相問(wèn)題的研究集中在原位摻入元素來(lái)改變微觀結(jié)構(gòu)和相組成。這種方法還促進(jìn)了等軸晶體的形成，即沿縱軸和橫軸晶粒尺寸大致相等的結(jié)構(gòu)。原位合金化為克服強(qiáng)度和延展性之間的平衡為題提供了一條有前途的途徑，特別是在粉末床熔融和定向能量沉積等3D打印技術(shù)中。

研究人員對(duì)向3D打印合金中添加不同元素時(shí)的晶粒形態(tài)和機(jī)械性能進(jìn)行了探索。例如，將納米陶瓷氫化鋯顆粒摻入不可打印的鋁合金中，得到可打印且無(wú)裂紋的材料，具有與鍛造材料相當(dāng)?shù)募?xì)化等軸晶微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能。然而對(duì)于鈦合金，市售晶粒細(xì)化劑通常對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的效果有限。鈦合金的細(xì)化機(jī)制，特別是3D打印凝固過(guò)程中的柱狀到等軸轉(zhuǎn)變已被廣泛研究，但效率限制仍然存在?？朔@一障礙的嘗試包括改變加工參數(shù)、高強(qiáng)度超聲應(yīng)用、通過(guò)合金設(shè)計(jì)引入所需的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、添加溶質(zhì)作為異質(zhì)成核位點(diǎn)的晶粒細(xì)化劑 ，以及具有高過(guò)冷能力的溶質(zhì)的摻入。諸如β-共析穩(wěn)定劑元素Cu、Fe、Cr、Co和Ni，這些元素限制了在鈦中的溶解度。

新研究帶來(lái)的重大突破研究人員此次沒(méi)有使用可能導(dǎo)致鈦合金中形成脆性金屬間共析體的β-共析穩(wěn)定劑元素，而是選擇了來(lái)自β-同晶族的Mo [包括鈮 (Nb)、鉭 (Ta) 和釩 (V)] 用于Ti-5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）。原位合金化過(guò)程中，將鉬精確輸送到熔池中，在每層掃描期間充當(dāng)晶體形成和細(xì)化的籽晶核。Mo添加劑促進(jìn)了從大柱狀晶向細(xì)等軸和窄柱狀晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。Mo還可以穩(wěn)定所需的β相并抑制熱循環(huán)過(guò)程中相異質(zhì)性的形成。

Ti-5553鈦合金摻Mo表征

研究人員比較了Ti-5553+5Mo與在L-PBF狀態(tài)和打印后熱處理下生產(chǎn)的Ti-5553（以及 Ti-55531和 Ti55511）的屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。與制造狀態(tài)下的Ti-5553及其類似合金相比，Ti-5553+5Mo顯示出相當(dāng)?shù)那?qiáng)度，但顯著提高了延展性。打印后熱處理通常用于平衡L-PBF生產(chǎn)的Ti-5553的機(jī)械性能。盡管在某些熱處理?xiàng)l件下可以實(shí)現(xiàn)高屈服強(qiáng)度（>1100 MPa），但延展性通常會(huì)大幅惡化，斷裂伸長(zhǎng)率<10%，這限制了在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中的使用。例如，作為鈦工業(yè)中所謂主力的Ti6Al4V，建議使用的最小斷裂伸長(zhǎng)率為10%。相比之下，無(wú)需下游熱處理，Ti-5553+5Mo材料L-PBF直接打印件就表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性平衡，這使其在在類似合金中脫穎而出。最終，研究人員通過(guò)該策略制造了具有優(yōu)秀性能均勻性的材料，屈服強(qiáng)度926MPa，斷裂伸長(zhǎng)率26%。

L-PBF生產(chǎn)的Ti-5553的顯微組織和力學(xué)性能

L-PBF生產(chǎn)的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的機(jī)械性能

相對(duì)于Ti-5553，Ti-5553+5Mo的機(jī)械性能異常均勻且機(jī)械性能得以提升。通過(guò)微焦點(diǎn)計(jì)算機(jī)斷層掃描 (micro-CT)發(fā)現(xiàn)，以評(píng)估零件質(zhì)量，兩種材料均表現(xiàn)出非常高的密度，總孔體積分?jǐn)?shù)分別為0.004024%和0.001589%。如此高的密度表明孔隙率不太可能導(dǎo)致Ti-5333高度分散的拉伸性能，并且也與Ti-5553+5Mo機(jī)械性能的高度一致性相符。為了揭示Mo添加對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的影響，研究人對(duì)Ti-5553和Mo摻雜的Ti-5553進(jìn)行了電子背散射衍射（EBSD）表征。Ti-5553的微觀結(jié)構(gòu)由沿掃描方向相對(duì)較大的晶粒組成，表現(xiàn)出很強(qiáng)的晶體織構(gòu)。在Ti-5553中添加5.0wt% Mo會(huì)導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)和相關(guān)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。許多細(xì)小的等軸晶粒（直徑約20μm）非常明顯，沿著Ti-5553+5Mo的掃描軌跡邊緣形成。相比之下，Ti-5553+5Mo的顯微組織的特征為沿構(gòu)造方向細(xì)小的等軸晶和窄的柱狀晶。對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的仔細(xì)檢查揭示了細(xì)小柱狀晶粒的周期性分布。與Ti-5553中高度織構(gòu)的柱狀晶跨越多層不同，Ti-5553+5Mo中柱狀晶的長(zhǎng)度尺度由熔池尺寸決定，并且晶體織構(gòu)變得隨機(jī)且弱?。

Ti-5553和Ti-5553+5Mo的顯微組織表征

Ti-5553和摻鉬Ti-5553的相分析

由Ti-55535制成的斷裂試樣的EBSD表征END

然而，研究人員在微觀結(jié)構(gòu)中識(shí)別出了未溶解的鉬顆粒，并且它們的潛在影響尚不清楚。事實(shí)上，原位合金化策略中未溶解顆粒的隨機(jī)存在引起了與機(jī)械和腐蝕性能相關(guān)的擔(dān)憂。例如，原位合金添加顆粒的完全熔化可能需要更高的能量，并且過(guò)熱可能導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)改變和機(jī)械性能變差。此外，未溶解的Mo顆粒引起的動(dòng)態(tài)疲勞和腐蝕性能尚不清楚。盡管打印后熱處理可以消除未溶解的顆粒，但它可能會(huì)改變微觀結(jié)構(gòu)，從而可能影響機(jī)械性能。

總的來(lái)說(shuō)，本篇Science研究提出的設(shè)計(jì)策略為探索不同的金屬粉末原料、不同的可打印合金系統(tǒng)、不同的3D打印技術(shù)以及先進(jìn)的多材料打印開(kāi)辟了一條途徑。它還能夠抑制柱狀晶粒的形成并防止不良相的不均勻性。這些問(wèn)題是由于不同的熱分布而產(chǎn)生的，而熱分布受每種粉末的打印參數(shù)的影響。該策略還克服了打印狀態(tài)下的強(qiáng)度與延展性的平衡，最大限度減少了打印后處理的需要，這些優(yōu)勢(shì)無(wú)疑將在3D打印領(lǐng)域引起研究熱潮。