《Nature》：3D打印高性能鈦銅合金，具有超細等軸晶粒

△3D打印的鈦銅棒，含鈦粉和銅粉。 圖源：皇家墨爾本理工大學(xué)

金屬增材制造（MAM）正在徹底改變多個行業(yè)的生產(chǎn)方式，尤其是航空航天，汽車和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，MAM被進一步廣泛采用還有很多技術(shù)問題，其中一個主要障礙是對晶粒結(jié)構(gòu)的控制。晶粒結(jié)構(gòu)控制不好會影響其熱裂性等性能，并且導(dǎo)致各向異性的機械性能，特別是在高性能合金中。當前在工業(yè)中使用的合金最初都是針對常規(guī)生產(chǎn)工藝設(shè)計的，并沒有針對MAM工藝進行優(yōu)化。需要具有高強度和最佳凝固性能的新型合金，以最大程度地吸收MAM，以此作為高性能部件的競爭性制造途徑。

幾十年來，人們已經(jīng)認識到細小和等軸的晶粒可以減少熱裂的趨勢并改善其性能，例如：通過Hall-Petch關(guān)系加強。但是，在MAM中，由于極高的冷卻速度和熱梯度的不平衡凝固，晶粒的主要特征是具有柱狀和織構(gòu)化的微觀結(jié)構(gòu)。因此，在MAM中形成等軸晶粒是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管在鋁合金的MAM中通過添加晶粒細化劑來獲得細等軸晶粒已取得了進展，但仍然沒有能夠有效細化鈦晶粒微觀結(jié)構(gòu)的商用細化劑。

在皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）增材制造中心Mark Easton教授 和俄亥俄州立大學(xué)Hamish L. Fraser教授團隊（共同通訊作者）帶領(lǐng)下，Dong Qiu博士和Duyao Zhang博士與英聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織（CSIRO）、昆士蘭大學(xué)和內(nèi)華達大學(xué)合作，為MAM組件（尤其是輕合金）設(shè)計可調(diào)諧的微結(jié)構(gòu)。

△RMIT大學(xué)先進制造區(qū) 實驗中使用的Trumpf 3D打印機。來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

該項目背后的理論是基于David StJohn教授等人提出的相互依賴理論（Acta Mater.2011，59，4907）。這種鈦銅合金具有較高的組織過冷能力，這是由于凝固過程中合金元素的分配所致，它可以克服激光中高熱梯度的負面影響。打印過程無需任何特殊的工藝控制或其他處理，打印的鈦銅合金試樣具有完全等軸的細晶粒組織。與在類似加工條件下的常規(guī)合金相比，它們還顯示出有出色的力學(xué)性能，如高屈服強度和均勻的伸長率，這歸因于利用了高冷卻速率和多次熱循環(huán)而形成超細共析微結(jié)構(gòu)。

2019年12月5日，南極熊獲悉，相關(guān)的研究成果近日發(fā)表在《Natrue》雜志上，題目為“Additive manufacturing of ultrafine-grained high-strength titanium alloys”(超細晶粒高強度鈦合金的增材制造)。

△Ti-6Al-4V和Ti-8.5Cu合金的3D打印

△3D打印Ti-Cu合金的機械性能

如文中所述，MAM工藝制造的Ti-Cu合金具有完全細的等軸初生晶粒和共析薄片，并具有出色的機械性能。實驗已經(jīng)表明，可通過MAM在多個微結(jié)構(gòu)長度尺度上實現(xiàn)可調(diào)諧的微結(jié)構(gòu)。提出的新合金設(shè)計策略集中于協(xié)同控制合金元素的熱力學(xué)和MAM的凝固條件。作者也期望他們的合金設(shè)計理念可以應(yīng)用于其他合金系統(tǒng)，并在未來為MAM開發(fā)更多高性能的工程合金。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1783-1