皇家墨尔本理工Nature丨增材制造实现超细晶粒高强度钛合金

金属增材制造（MAM）正在彻底改变多个行业的生产方式，尤其是航空航天，汽车和生物医学领域。然而，MAM被进一步广泛采用还有很多技术问题，其中一个主要障碍是对晶粒结构的控制。晶粒结构控制不好会影响其热裂性等性能，并且导致各向异性的机械性能，特别是在高性能合金中。当前在工业中使用的合金最初都是针对常规生产工艺设计的，并没有针对MAM工艺进行优化。需要具有高强度和最佳凝固性能的新型合金，以最大程度地吸收MAM，以此作为高性能部件的竞争性制造途径。

几十年来，人们已经认识到细小和等轴的晶粒可以减少热裂的趋势并改善其性能，例如：通过Hall-Petch关系加强。但是，在MAM中，由于极高的冷却速度和热梯度的不平衡凝固，晶粒的主要特征是具有柱状和织构化的微观结构。因此，在MAM中形成等轴晶粒是一个巨大的挑战。尽管在铝合金的MAM中通过添加晶粒细化剂来获得细等轴晶粒已取得了进展，但仍然没有能够有效细化钛晶粒微观结构的商用细化剂。

3D打印的钛铜棒，含钛粉和铜粉

该项目背后的理论是基于David StJohn教授等人提出的相互依赖理论（Acta Mater.2011，59，4907）。这种钛铜合金具有较高的组织过冷能力，这是由于凝固过程中合金元素的分配所致，它可以克服激光中高热梯度的负面影响。打印过程无需任何特殊的工艺控制或其他处理，打印的钛铜合金试样具有完全等轴的细晶粒组织。与在类似加工条件下的常规合金相比，它们还显示出有出色的力学性能，如高屈服强度和均匀的伸长率，这归因于利用了高冷却速率和多次热循环而形成超细共析微结构。

Ti-6Al-4V和Ti-8.5Cu合金的3D打印

Ti–8.5Cu合金的扫描电子显微镜（SEM）表征

Ti-8.5Cu合金的透射电子显微镜表征

3D打印Ti-Cu合金的机械性能

扩展数据图1 | Ti-Cu阶段图

扩展数据图2 | 在xyz坐标系中3D可视化制造的样品的孔隙率

扩展数据图3 | XEDS结果显示的Ti–8.5Cu合金沿制造方向的铜含量

扩展数据图4 | 偏振光学微结构

扩展数据图5 | 凝固曲线

扩展数据图6 | XRD光谱

扩展数据图7 | BSE图片

扩展数据图8 | 原始粉末横截面的SEM图像

扩展数据图9 | 工程应力-应变曲线

增材制造工艺制造的Ti-Cu合金具有完全细的等轴初生晶粒和共析薄片，并具有出色的机械性能。实验已经表明，可通过MAM在多个微结构长度尺度上实现可调谐的微结构。提出的新合金设计策略集中于协同控制合金元素的热力学和MAM的凝固条件。作者也期望他们的合金设计理念可以应用于其他合金系统，并在未来为MAM开发更多高性能的工程合金。