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象，這些現象在制造的印鈦產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，包括鈦合金在內的印鈦許多同素異形合金系統也容易受到與3D打印過程中經歷的固態熱循環相關的相的不均勻分布的影響，使得實現均勻和優異的合金機械性能合金變得極具挑戰性。
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，合金發現添加鉬（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），并抑制固態熱循環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”為題發表知名期刊Science上。
3.【核心創新點】
- 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，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，Ti-5553+5Mo表現出更高的強度、更高的延展性和更均勻的拉伸性能。在通過3D打印生產的各種金屬合金中經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。
