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)合團隊發(fā)表了題為“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design（通過雙功能合金設(shè)計實現(xiàn)超均勻、高強度且具有延展性的3D打印鈦合金）”文章。3D打印制備的鈦合金達到926MPa的屈服強度和26%的延展性，實現(xiàn)了強度與延展性的均衡。

研究背景在金屬3D打印過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)粗大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，導(dǎo)致機械性能不均勻甚至較差。研究涉及一種設(shè)計策略，可直接通過3D打印獲得高強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）增強了相穩(wěn)定性，并提高了3D打印合金的強度、延展性和拉伸性能的均勻性。Science同期評論文章指出，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，晶粒朝熔池中心生長。多層打印過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，因為它們可能導(dǎo)致各向異性和受損的機械性能降低。

各類金屬材料的強度-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％的拉伸伸長率，這反映了良好的材料可靠性。盡管更大的伸長率（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，但在該伸長率范圍內(nèi)增加強度對于承受機械負(fù)載來說通常被優(yōu)先選擇。在加工金屬材料的傳統(tǒng)和增材制造技術(shù)中，一直需要考慮強度和延展性之間的平衡。

提高強度和延展性的策略與限制

提高3D打印合金強度和延展性的策略有多種。其中包括優(yōu)化合金設(shè)計、工藝控制、細晶界強化和晶粒微觀結(jié)構(gòu)改性，還包括抑制不需要的（脆性）相、引入第二相以及進行后處理。目前，解決柱狀晶體和不良相問題的研究集中在原位摻入元素來改變微觀結(jié)構(gòu)和相組成。這種方法還促進了等軸晶體的形成，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。

研究人員對向3D打印合金中添加不同元素時的晶粒形態(tài)和機械性能進行了探索。例如，將納米陶瓷氫化鋯顆粒摻入不可打印的鋁合金中，得到可打印且無裂紋的材料，具有與鍛造材料相當(dāng)?shù)募毣容S晶微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能。然而對于鈦合金，市售晶粒細化劑通常對晶粒結(jié)構(gòu)的效果有限。鈦合金的細化機制，特別是3D打印凝固過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)、高強度超聲應(yīng)用、通過合金設(shè)計引入所需的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、添加溶質(zhì)作為異質(zhì)成核位點的晶粒細化劑 ，以及具有高過冷能力的溶質(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。

新研究帶來的重大突破研究人員此次沒有使用可能導(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)晶體形成和細化的籽晶核。Mo添加劑促進了從大柱狀晶向細等軸和窄柱狀晶結(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）的屈服強度和斷裂伸長率。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姸龋@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的機械性能。盡管在某些熱處理條件下可以實現(xiàn)高屈服強度（>1100 MPa），但延展性通常會大幅惡化，斷裂伸長率<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率為10%。相比之下，無需下游熱處理，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，研究人員通過該策略制造了具有優(yōu)秀性能均勻性的材料，屈服強度926MPa，斷裂伸長率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的機械性能

相對于Ti-5553，Ti-5553+5Mo的機械性能異常均勻且機械性能得以提升。通過微焦點計算機斷層掃描 (micro-CT)發(fā)現(xiàn)，以評估零件質(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機械性能的高度一致性相符。為了揭示Mo添加對晶粒結(jié)構(gòu)的影響，研究人對Ti-5553和Mo摻雜的Ti-5553進行了電子背散射衍射（EBSD）表征。Ti-5553的微觀結(jié)構(gòu)由沿掃描方向相對較大的晶粒組成，表現(xiàn)出很強的晶體織構(gòu)。在Ti-5553中添加5.0wt% Mo會導(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)造方向細小的等軸晶和窄的柱狀晶。對微觀結(jié)構(gòu)的仔細檢查揭示了細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中柱狀晶的長度尺度由熔池尺寸決定，并且晶體織構(gòu)變得隨機且弱?。

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。事實上，原位合金化策略中未溶解顆粒的隨機存在引起了與機械和腐蝕性能相關(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，并且過熱可能導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)改變和機械性能變差。此外，未溶解的Mo顆粒引起的動態(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，但它可能會改變微觀結(jié)構(gòu)，從而可能影響機械性能。

總的來說，本篇Science研究提出的設(shè)計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)以及先進的多材料打印開辟了一條途徑。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)勢無疑將在3D打印領(lǐng)域引起研究熱潮。