上科大 l 等轴晶、无织构、力学性能各向同性！高性能钛合金增材制造及组织调控方法取得进展

l 上海科技大学 l

智造系统工程中心（CASE）

根据3D科学谷的技术洞察，钛合金的各向异性是一个复杂的现象，钛合金的各向异性通过影响微观组织、晶界特性、裂纹萌生位置、裂纹扩展路径以及裂纹扩展驱动力的分散等多个方面，综合作用于裂纹的萌生和扩展，从而影响材料的疲劳寿命。

其中，钛合金的微观组织，如α相和β相的分布、形态和尺寸，会影响材料的力学性能和裂纹扩展路径。不同的微观组织可能导致裂纹在某些区域更容易萌生，而在其他区域则更难以扩展。晶界，特别是高角晶界，可以作为裂纹萌生的潜在位置，因为它们通常具有较高的能量和较低的结合强度。晶界的类型（如大角晶界、小角晶界）和晶粒间的取向差也会影响裂纹的扩展路径。钛合金的织构特征，即晶体取向的分布，会影响裂纹萌生和扩展的难易程度。某些晶体取向可能更有利于裂纹的扩展，而其他取向则可能阻碍裂纹的扩展。

近日，上海科技大学与中国科学院金属研究所合作，针对新型富Fe的亚稳β钛合金（Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr, Ti3662）进行了直接能量沉积（DED）工艺及组织调控和性能优化的研究。通过铁元素的加入，有效抑制了柱状晶的生长和织构的形成，制备出全等轴无织构的亚稳β钛合金。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

©上海科技大学

3D科学谷洞察

增材制造工艺的特征可以被用于先进钛合金的多尺度结构设计。例如，通过添加具有高成分过冷能力的溶质元素，增材制造能够一步到位地在钛合金中产生超细的等轴晶粒。Fe作为一种具有高成分过冷能力的溶质元素，在合金中通过增加成分过冷度，促进形核，有助于形成等轴晶粒，减少柱状晶粒的形成，从而改善材料的各向异性。”

2024年11月5日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）张振波课题组与中国科学院金属研究所马英杰课题组在增材制造领域知名期刊《增材制造》（Additive Manufacturing）发表了题为“Additive manufacturing of a new titanium alloy with tunable microstructure and isotropic properties”的研究论文。

通过系统研究新型亚稳β钛合金在3D打印过程中微观组织演化和化学成分再分配规律，制备出了具有等轴晶、无织构、力学性能各向同性的高强高韧钛合金，3D打印钛合金在重大装备领域的工程应用奠定基础。

研究背景

相较于传统制造方法，增材制造工艺能够实现复杂零部件的一体化近净成型。而在增材制造过程中高温度梯度、高冷速和复杂的循环热历史等特点，导致增材制造的传统钛合金具有极强的织构和力学性能各向异性。这是增材制造钛合金工业化应用面临的主要挑战之一。

研究内容与成果

上海科技大学智造系统工程中心增材制造实验室与中科院金属所马英杰课题组合作，针对新型富Fe的亚稳β钛合金（Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr, Ti3662）的直接能量沉积（DED）工艺及组织调控和性能优化开展了系统研究。

通过铁元素的加入极大促进了合金在DED过程中的成分过冷，有效抑制了柱状晶的生长和织构的形成，结合DED工艺优化首次制备出全等轴无织构的亚稳β钛合金。结合热处理制度调控，在保持力学性能各向同性的同时，获得了屈服强度~1200 MPa，延伸率不低于10%的高强高韧钛合金。

▲图1：（a）3D打印Ti3662合金获得的无织构、等轴晶组织（b）激光能量密度对单道和块体样品中晶粒尺寸的影响

为了深入了解DED过程中的组织演化规律，研究人员通过沉积单道、双道、多道多层和块体样品研究了β相晶粒在热影响区中的粗化过程，发现热影响区的晶粒粗化是影响最终微观形貌的主要因素，通过调控层厚和热影响区深度的相对大小，分别得到了粗细晶粒周期分布的异构组织和均匀的等轴组织。

此外，出现在两道搭接处，即凝固末端的元素偏析通过原位重熔过程在下一层中消除，结果表明，即使铁元素含量超出了常规合金设计经验中的范围，由于DED工艺固有的快速凝固、循环的热影响和重熔等特点，也可以得到元素均一的微观组织。通过DED工艺制备Ti3662合金的成功经验表明设计适用于增材制造的合金成分、调控制备工艺是制备力学性能各向同性合金的可行方法。

▲图2：3D打印Ti662合金力学性能

目前，研究团队已围绕增材制造亚稳β钛合金，在相变、微观变形和强韧化机制等研究方向开展了多项研究，结合多尺度的表征手段，进一步探索优化增材制造亚稳β钛合金性能的方法。

▲图3：Ti3662合金制备全流程过程中元素均一化原理示意图

上海科技大学为该文章的第一完成单位，智造系统工程中心2022级博士研究生常家强为文章第一作者，上海科技大学张振波教授和中国科学院金属研究所马英杰研究员为论文的共同通讯作者，智造系统工程中心杨锐教授、武颖娜研究员、翟梓融研究员参与并指导了本项研究工作。

链接

https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104546

CASE：

上海科技大学创艺学院智造系统工程中心（CASE）是上海科技大学研究中心的一部分。CASE开展材料、物理、自动化控制、计算机科学、电子工程、机械工程等跨学科基础研究。CASE专注于自适应3D打印材料、结构设计和过程集成、表面工程、自适应修复、精密检测与自动化、数字化装配等领域。通过渐进式和变革性的研究和集成应用，CASE旨在构建基于数据、物联网和制造全过程闭环反馈的自适应制造系统，形成高端智能制造技术平台，致力于高端设计制造领域的终端制造突破和创新。

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