中国青年学者一作发Science！3D打印新突破！

克服了合金制造中的强度-延展性权衡！

三维(3D)打印（也称为增材制造）持续重塑各行各业，包括金属生产。其优点包括减少制造复杂金属零件的时间和成本以及增加定制化。然而，该技术在3D打印金属合金中实现均匀的机械性能仍然面临挑战。

鉴于此，昆士兰大学Matthew S. Dargusch教授（通讯）、展示了一种设计策略，可直接通过3D打印获得稳定且增强的性能。以Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr为模型合金，他们展示了添加钼（Mo）纳米粒子可促进凝固过程中的晶粒细化，并抑制固态热循环过程中相异构的形成。双功能添加剂带来的微观结构变化使合金具有均匀的机械性能，并同时提高了强度和延展性。他们展示了如何通过单组分改性这种合金来解决不利的微观结构问题，为直接通过3D打印获得理想的机械特性提供了途径。相关研究成果以题为“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design”发表在最新一期《Science》上，第一作者为Jingqi Zhang。

【目前困境】

在逐层3D打印过程中（通常具有~10 3至10 8 K/s的高冷却速率），边缘附近会形成显着的热梯度，并且熔池底部，金属粉末已被激光束熔化。热梯度引起沿着新熔化的材料和下面的固体材料之间的界面的外延晶粒生长，晶粒朝熔池中心生长。多层打印过程中的加热和部分重熔循环最终会导致形成大的柱状晶粒和不均匀分布的相，这两种情况都是不希望的，因为它们会导致不均匀（各向异性）和机械性能受损。

钛合金是最强的金属材料之一。在环境温度下的工程应用中，合适的钛合金通常表现出〜10％至〜25％的拉伸伸长率（材料在断裂前可以承受的最大拉伸或变形），这反映了良好的材料可靠性。尽管更大的伸长率（延展性）有利于更容易成型并在某些应用中占据优先地位，但在该伸长率范围内增加强度对于承受机械负载来说是优选的。在加工金属材料的传统和增材制造技术中，强度和延展性之间的权衡是普遍存在的。

【策略设计】

图 1. L-PBF生产的Ti-5553的显微组织和力学性能

目前通常采用多种策略来提高3D打印合金的强度和延展性。其中包括优化合金设计、工艺控制、细晶界强度和晶粒微观结构改性。它们还包括抑制不需要的（脆性）相、引入第二相以及添加后处理处理。最近解决柱状晶体和不良相问题的研究集中在原位掺入元素以改变微观结构和相组成。这种方法还促进了等轴晶体的形成，即沿纵轴和横轴晶粒尺寸大致相等的结构。3D打印这种独特的原位合金化能力为克服强度和延展性之间的持久折衷提供了一条有前途的途径，特别是在粉末床熔融和定向能量沉积等技术中。粉末床熔融工艺利用热能选择性地熔融平台上薄层金属粉末的区域。定向能量沉积方法涉及通过惰性气体从喷嘴同轴供给金属粉末，同时在沉积到表面上之前通过聚焦能源进行熔化。

装饰有钼颗粒的钛合金粉末在 3D 打印时表现出均匀的拉伸性能

人们对在3D打印合金中添加不同元素时的晶粒形态和机械性能进行了探索。然而，对于钛合金，市售晶粒细化剂通常对晶粒结构的效果有限。钛合金的细化机制，特别是3D打印凝固过程中的柱状到等轴转变，已被广泛研究，但效率限制仍然存在。

在钛合金（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr+5Mo）的原位合金化过程中，本文没有使用可能导致金属间共晶形成的脆性金属间共晶的β-共晶稳定剂元素，而是使用了β-异构家族中的钼（包括铌（Nb）、钽（Ta）和钒（V））。现场合金化将钼精确地输送到熔池中，在每次层扫描过程中作为晶体形成和细化的种子核。钼添加剂促进了从大型柱状晶粒向精细的等轴和窄柱状晶粒结构的过渡。钼还能稳定所需的β相，并抑制热循环过程中相异构的形成。这种策略产生了优异的均匀性，同时具有926兆帕的屈服强度和26%的延展性。

图 2. L-PBF生产的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的机械性能

【晶粒结构与相分析】

图 3. Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的显微组织表征

在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr+xMo（其中x=5wt%）的案例中，作者在母体粉末中添加了额外的Mo，使Mo的总重量百分比达到了10%。这最大程度地降低了化学复杂性，实现了晶粒形态从柱状到等轴状的转变，提高了所需的相稳定性，并实现了印刷金属的各向同性。值得注意的是，单独使用相同成分的预合金化粉末并不能产生类似的打印效果。考虑到之前的观察结果，这一点不足为奇。例如，与单独使用预合金粉末相比，通过原位合金化处理的钛铌合金具有不同的微观结构和性能。同样，使用预合金Ti-6Al-4V-5Cu粉末进行3D打印的合金在柱状β晶粒中出现了针状α′晶粒，导致延展性变差。

图 4. Mo 颗粒与钛基体界面的 TEM 表征和 DICTRA 模拟

值得一提的是，作者确实在微观结构中发现了未溶解的钼颗粒，其潜在影响尚不清楚。事实上，原位合金化策略中随机存在的未溶解颗粒已经引起了人们对机械和腐蚀特性的关注。例如，原位合金添加剂颗粒的完全熔化可能需要更高的能量，而过热可能导致微观结构的改变和更差的机械性能。此外，未溶解的添加剂钼颗粒所产生的动态疲劳和腐蚀性能也是未知的。虽然压印后热处理可以消除未溶解的颗粒，但可能会改变微观结构，潜在地损害机械性能。

图 5. Ti-5553 和 Mo 掺杂 Ti-5553 的相分析

【总结】

本文提出的设计策略为探索不同的金属粉末原料、不同的可打印合金系统和不同的3D打印技术以及先进的多材料打印开辟了一条途径。它还能够抑制柱状晶粒的形成并防止不良的相不均匀性。这些问题是由于不同的热分布而产生的，而热分布受每种粉末的打印参数的影响。该策略还克服了打印状态下的强度与延展性权衡，最大限度地减少了打印后处理的需要。这些优势无疑将在3D打印领域引发涟漪。

来源：高分子科学前沿

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