四校联合Nat. commun.:3D打印钛合金又取得了重大突破！

一、导读

增材制造(AM)可以通过连续添加材料来创建数字化设计的零件。AM的这一特性是一把双刃剑。一方面，它提供了生产理想形状、微结构和性能的零件可能性。另一方面，AM过程中固有的热梯度、高的冷却速率以及复杂的热历史通常会导致孔隙、元素偏析、柱状晶粒和组织中不均匀的相分布（无论是在凝固过程中还是在随后的固态相变过程中），这导致金属部件不同位置力学性能的不均匀。通过控制工艺参数和合金成分，与孔隙、元素偏析和柱状晶粒有关的问题得到了有效解决。然而，在凝固后发生固态转变的合金中，几乎不可避免地会发生相不均匀性。实现均匀的力学性能仍然是一个长期的挑战。这种现象在具有复杂几何形状的附件中更为明显。

二、成果掠影

近日，来自澳大利亚昆士兰大学张明星教授与南京理工大学沙刚教授、重庆大学黄晓旭教授、丹麦滚球体育 大学Jesper Henri Hattel教授等团队相互合作，提出了一种协同合金设计方法来克服激光粉末床熔合制造钛合金的这一问题。方法的关键是结合纯钛粉末和氧化铁(Fe2O3)纳米颗粒原位合金化Ti - 6Al - 4V(重量百分比)。通过加入纯钛粉和氧化铁(Fe2O3)不仅可以稀释V浓度，同时还引入少量Fe来原位消除了相异质性，而且还可以弥补氧溶质强化造成的强度损失。该合金具有三维均匀的组织和力学性能，优于Ti - 6Al - 4V合金。这项研究有助于指导其他合金的设计，不仅克服了AM工艺固有的挑战，而且提供设计具有良好力学性能AM的合金新思路。相关成果以“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”为题发表在国际著名期刊Nature communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32446-2

三、核心创新点

提出一种原位合成三维空间具有均匀显微组织和力学性能的AM工艺，可将其推广应用到其它合金的设计中。

四、数据概览

图1 Ti−6Al−4V与新开发的激光动力床熔合(L-PBF)合金(25Ti−0.25O)的组织和拉伸性能比较；a. L-PBF过程示意图和不同位置的部件所经历的固有热循环；b.扫描电子显微镜(SEM)和背散射电子(BSE)显微图显示Ti−6Al−4V沿打印方向(BD)的空间相分布；注意顶部表面主要由针状α′马氏体组成，较低的区域由于更多的热循环，显示了α′马氏体的部分分解。可以看到α′马氏体、α相和β相，如白色箭头所示。底区呈清晰的层状(α + β)组织。c. Ti−6Al−4V沿竖直和水平方向的拉伸工程应力-应变曲线。插图为从预制部件制备垂直和水平拉伸试样的示意图。沿打印方向的水平受拉试件标为H1 ~ H6。d. SEM-BSE显微图显示了新研制的25Ti−0.25O合金中均匀分布的片层(α + β)组织；从上表面到下表面，可以观察到清晰的层状(α + β)组织。e, 25Ti−0.25O合金沿垂直和水平方向的拉伸工程应力-应变曲线。插图为拉伸试样的制备方法，与Ti−6Al−4V相同。@ springer Nature communications

图2 原料制备及表征；a. 表面工程方法制备原料过程示意图(方法)。 PSS和PDDA分别是聚(4-苯乙烯磺酸钠)和聚(二烯丙基二甲基氯化铵)。b未添加Fe₂O₃悬浮液加工Ti−6Al−4V和CP−Ti粉末； c，添加Fe₂O₃悬浮液加工Ti−6Al−4V和CP−Ti粉末；d，机械混合与表面工程制备原料的比较。e和f，SEM和能谱(EDS)图像显示了设计的50Ti−0.25O合金粉末原料中CP−Ti (e)和Fe₂O₃(f)的均匀分布。@ springer Nature communications

图3 新开发L-PBF合金的力学性能；a. 沿垂直和水平方向的拉伸工程应力-应变曲线，表明均匀的拉伸性能；b. Ti - 6Al - 4V合金和新开发合金的纵向和横向断裂延伸率。Ti−6Al−4V与橙色线的显著数据偏差表明在延性中存在高度的散射。误差条表示平均值的标准偏差。c 本文设计的合金与L-PBF(包括预制态和热处理态)、定向能沉积(DED)和电子束基粉末层聚变(EB-PBF)制备的Ti−6Al−4V(以及Ti−6Al−4V基复合材料)合金的拉伸性能比较。@ springer Nature communications

图4 新开发合金的原子探针 (APT)表征； a, b对不同Fe₂O3添加量(a, 50Ti−0.25O, b, 50Ti−0.5O)样品中Fe分布进行了三维重构；c, d在(a)(用黑色虚线循环标记)和(b)(用黑色虚线矩形标记)中横跨β相的距离直方图，显示了在β相中富集(Fe和V)，贫 (O和Al)；e根据APT数据得出Fe、V、Al和O的元素分配系数K⁻¹(由C_β/C_α定义，其中C_β为富集特征区内的浓度，C_α为富集特征区外的浓度)；注意，高分配系数表明一种元素在这些区域的积累，而K^-1<1表示元素耗尽。可以看出，Fe的分配率比V高得多。误差条表示平均值的标准差。@Springer Nature communications

五、成果启迪

3D打印合金的组织和力学性能的不均匀性是亟待解决的长期挑战，本文创造性的将原位合成技术与增材制造工艺相结合，成功地解决了这一难题，是本领域的一项重要突破。