1.【導(dǎo)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(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和不同的機(jī)械性能。對(duì)于以立方晶體結(jié)構(gòu)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(dǎo)地位，料牛因?yàn)榫哂腥菀咨L(zhǎng)<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(duì)準(zhǔn)，并從部分熔化的印鈦層外延生長(zhǎng)。盡管這種高度織構(gòu)化的合金柱狀晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)某些應(yīng)用是有益的，但在大多數(shù)情況下它會(huì)降低機(jī)械性能并導(dǎo)致機(jī)械性能各向異性。料牛更復(fù)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(guò)程中經(jīng)歷的固態(tài)熱循環(huán)相關(guān)的相的不均勻分布的影響，使得實(shí)現(xiàn)均勻和優(yōu)異的合金機(jī)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(xué)Matthew S. Dargusch教授團(tuán)隊(duì)展示了一種直接從3D打印中解鎖一致性和增強(qiáng)特性的打登上設(shè)計(jì)策略，通過(guò)同時(shí)控制激光粉末床熔融（L-PBF）制造的印鈦產(chǎn)品的晶粒結(jié)構(gòu)和組成相來(lái)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(jìn)凝固過(guò)程中的晶粒細(xì)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(guò)程中相不均勻性的形成。雙功能添加劑引起的微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致均勻的機(jī)械性能，同時(shí)提高了強(qiáng)度和延展性。本研究展示了通過(guò)單一成分對(duì)這種合金進(jìn)行改性，以解決不利的微觀結(jié)構(gòu)，為直接通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械特性提供了途徑。相關(guān)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(diǎn)】
- 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(dǎo)致顯著的CET和晶粒細(xì)化機(jī)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(jié)構(gòu)和力學(xué)性能? 2024 AAAS
圖2. L-PBF法制備Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力學(xué)性能? 2024 AAAS
圖3. Ti-5553和Ti-5553+5Mo的微觀結(jié)構(gòu)? 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(shí)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(wèn)題。研究表明，向Ti-5553中添加高達(dá)5.0wt%的Mo會(huì)導(dǎo)致顯著的柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變（CET）和晶粒細(xì)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(zhì)形成過(guò)冷卻區(qū)，從而提高晶粒細(xì)化效率。此外，溶解的Mo溶質(zhì)能夠通過(guò)穩(wěn)定β相來(lái)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(qiáng)度、更高的延展性和更均勻的拉伸性能。在通過(guò)3D打印生產(chǎn)的各種金屬合金中經(jīng)常報(bào)道柱狀晶粒和不均勻分布相，因此本研究預(yù)計(jì)該設(shè)計(jì)策略可能適用于本文所考慮的鈦合金之外，還可以指導(dǎo)其他合金的設(shè)計(jì)。
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。
