最新3D打印金属材料研究成果荐读

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1. 3D打印研发出高阻尼、高吸能与形状记忆兼得的镁基仿生材料

中科院金属研究所刘增乾、张哲峰，钛合金研究部李述军、杨锐等与美国加州大学伯克利分校、中国工程物理研究院开展合作的研究证明了在Mg-NiTi互穿相复合材料中如何同时获得高强度、高阻尼能力、良好的能量吸收效率和显著的自恢复能力。该复合材料在环境温度和高温下的强度都有所提高，超过了混合物规则对其成分的估计，并表现出优异的抗损伤性能。这些特性伴随着其在不同应变振幅下阻尼能力的协同增强和高能吸收效率，这在镁合金和镁合金复合材料中很少能实现。此外，由于镍钛合金中的马氏体-奥氏体相变与镁基体的低蠕变电阻的耦合作用，使复合材料变形后的初始形状和强度都能得到较大的恢复。具体而言，镍钛合金骨架提供了高的加工硬化能力，并为复合材料的自粘接提供了驱动力；此外，它还可以实现用于制造的渗透过程。具体而言，镍钛合金骨架提供了高的加工硬化能力，并为复合材料的自粘接提供了驱动力；此外，它还可以实现用于制造的渗透过程。它还能抵抗微观结构中各组分的损伤演化，从而提高复合材料的高能吸收效率，促进回收过程。所以，该研究获得了史无前例的综合性能的Mg合计，同时具有高强度和高阻尼性能和高的能量吸收特性。这一设计思路和得到的研究结果为镁合金的工程结构应用和生物镁合金的应用开辟了新的方向和提供了新的设计思路。相关研究以“3D printed Mg-NiTi interpenetrating-phase composites with high strength, damping capacity, and energy absorption efficiency”为题发表在 Science Advances期刊上。

2. 3D打印超细晶粒高强度钛合金

皇家墨尔本理工大学Mark A. Easton教授和俄亥俄州立大学Hamish L. Fraser教授团队（共同通讯作者）带领下，与英联邦科学和工业研究组织（CSIRO）、昆士兰大学和内华达大学合作，通过单步3D打印了Ti-（6.5-8.5Cu）合金，制造出了各向等大的β钛晶粒和超细共析组织的钛合金。3D打印态钛-铜合金的晶粒细化效率来自于铜溶质在固液界面前形成足够大的结构过冷区，使溶质铜在固液界面周围析出时形成β钛枝晶。充分的过冷可以有效地抵消高热梯度的负面影响，保证在过冷区触发异质成核，实现完全的柱状-等轴过渡。高的冷却速率会限制原子的扩散，从而抑制共析耦合生长，产生马氏体，所以在Ti-8.5Cu合金的等轴组织内发现了马氏体，层间平均间距为46 nm±7 nm。拉伸性能的测试表明，与传统铸造和后热处理工艺相比, 具有超细原始β晶粒和共析层状结构3D打印钛铜合金的力学性能拥有优越的屈服强度和延展性。该工作首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据，对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。相关成果以题为“Additive manufacturing of ultrafine-grained high-strength titanium alloys”发表在了Nature。

3. 3D打印修复高温合金单晶结构

西安交通大学单智伟团队提出的策略是3d打印后退火，以减少破坏单晶结构的再结晶驱动力。具体的操作为在固溶处理和时效时效之前通过恢复热处理（HT）去除累积的位错。电子束后熔化，γ'粒子的漂流（即定向粗化）可通过预固溶退火实现固溶前恢复，从而促进位错重排和湮灭。在随后的固溶处理中去除了筏状组织，留下了无损伤且无残余应力的单晶，具有均匀的γ'析出物。相关成果以“Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing-Repaired Single-Crystal Superalloys”为题发表在Advance materials.

4. 3D打印高强马氏体钢

德国马普所的Philipp Kürnsteiner、Dierk Raabe 等研究者利用激光增材制造Fe19Ni5Ti(重量百分比)钢。这种钢通过镍钛纳米沉淀法原位硬化，马氏体也在原位形成，从200℃的温度开始。在制造过程中对纳米沉淀和马氏体相变的局部控制导致了横跨多个长度尺度的复杂微观结构层次，从大约100微米厚的层到纳米级的沉淀物。受古大马士革钢有软硬层的启发，该工作生产了一种钢，软硬层交替。具有1300MPa的抗拉强度和10%的伸长率，显示出优越的力学性能。本文所采用的原位沉淀强化和局部组织控制原理可广泛应用于沉淀硬化合金和不同添加剂的制造工艺。相关成果以“High-strength Damascus steel by additive manufacturing”发表在Nature上。

5. 材料–结构–性能一体化激光金属增材制造

南京航空航天大学顾冬冬教授团队联合中、德、美、英等国学者，在材料–结构–性能一体化激光金属增材制造研究领域取得进展。相关研究综述论文以“材料–结构–性能一体化激光金属增材制造（Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing）”为题在《科学》（Science）杂志发表。该团队提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）这一整体性概念，发展新的材料–结构–工艺–性能一体化“并行模式”，在复杂整体构件内部同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，以主动实现构件的高性能和多功能。该团队面向下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势，定义了材料–结构–性能一体化增材制造的两大特征及内涵，即“适宜材料打印至适宜位置”“独特结构打印创成独特功能”；建立了材料–结构–性能一体化增材制造的跨尺度实现原理及调控方法，包括微观尺度的材料组织与界面调控、介观尺度的粉末激光熔凝及致密化工艺控制、宏观尺度的构件结构与性能精确协调。

本文来源：材料人

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首次发布时间：2021-10-27

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