1.【導讀】

金屬和合金的打登上3D打印或增材制造（AM）通常涉及多種物理和冶金現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在制造的印鈦產(chǎn)品中賦予復雜的微觀結構和不同的機械性能。對于以立方晶體結構固化的合金金屬合金，柱狀晶粒通常在3D打印部件中占主導地位，料牛因為具有容易生長<100>方向的打登上晶粒傾向于與熔池的最大溫度梯度緊密對準，并從部分熔化的印鈦層外延生長。盡管這種高度織構化的合金柱狀晶粒結構對某些應用是有益的，但在大多數(shù)情況下它會降低機械性能并導致機械性能各向異性。料牛更復雜的打登上是，包括鈦合金在內(nèi)的印鈦許多同素異形合金系統(tǒng)也容易受到與3D打印過程中經(jīng)歷的固態(tài)熱循環(huán)相關的相的不均勻分布的影響，使得實現(xiàn)均勻和優(yōu)異的合金機械性能合金變得極具挑戰(zhàn)性。

2.【成果掠影】

基于此，料牛澳大利亞昆士蘭大學Matthew S. Dargusch教授團隊展示了一種直接從3D打印中解鎖一致性和增強特性的打登上設計策略，通過同時控制激光粉末床熔融（L-PBF）制造的印鈦產(chǎn)品的晶粒結構和組成相來解決這一難題。研究人員使用Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr作為模型合金，合金發(fā)現(xiàn)添加鉬（Mo）納米顆粒可以促進凝固過程中的晶粒細化（向Ti-5553中添加5.0 wt % Mo記作Ti-5553+5Mo），并抑制固態(tài)熱循環(huán)過程中相不均勻性的形成。雙功能添加劑引起的微觀結構變化導致均勻的機械性能，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，以解決不利的微觀結構，為直接通過3D打印實現(xiàn)所需的機械特性提供了途徑。相關研究成果以“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design”為題發(fā)表知名期刊Science上。

3.【核心創(chuàng)新點】

• 在3D打印鈦合金中添加Mo納米顆粒，解決了不需要的亞穩(wěn)相和柱狀晶體的難題。
• 揭示了Mo納米顆粒導致顯著的CET和晶粒細化機理，并證明該方法的通用性。

4.【數(shù)據(jù)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的相位分析? 2024 AAAS

5.【成果啟示】

綜上，研究人員探索了如何同時解決L-PBF生產(chǎn)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中添加高達5.0wt%的Mo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(qū)，從而提高晶粒細化效率。此外，溶解的Mo溶質能夠通過穩(wěn)定β相來消除Ti-5553中的相不均勻性。與Ti-5553相比，Ti-5553+5Mo表現(xiàn)出更高的強度、更高的延展性和更均勻的拉伸性能。在通過3D打印生產(chǎn)的各種金屬合金中經(jīng)常報道柱狀晶粒和不均勻分布相，因此本研究預計該設計策略可能適用于本文所考慮的鈦合金之外，還可以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)

本文由大兵哥供稿。