3D列印（增材製造）金屬材料通常呈現粗大的柱狀晶和不均勻分佈的組成相。這樣的組織結構不僅導致列印構件的力學效能呈現不均勻性，同時也會降低構件的力學效能。對於常用金屬材料（例如亞穩態β鈦合金、可熱處理鋁合金以及鎳基高溫合金等），其3D列印構件普遍出現柱狀晶與不均勻分佈相的共存現象，從而對獲得均勻且優異的力學效能提出了嚴峻的挑戰。
針對上述問題，來自澳大利亞昆士蘭大學(Matthew Dargusch教授團隊)、重慶大學（黃曉旭教授團隊）和丹麥科技大學（Mohamad Bayat團隊）的研究者提出一種“一箭雙鵰”的合金設計策略。採用Ti−5Al−5Mo−5V−3Cr（簡稱Ti-5553）作為模型合金，透過新增鉬（Mo）奈米顆粒，實現了單一新增物的雙重功能性：(1) 在凝固過程，未完全溶解的鉬顆粒透過晶粒細化消除柱狀晶組織；(2) 在固態相變過程，溶解的鉬抑制有害相析出。這種雙功能新增物引起的微觀組織變化不僅促使模型合金獲得高度均勻的力學效能，還同時提高了模型合金的強度和塑性。該研究展現如何透過單一新增消除3D列印金屬材料的不利組織，為直接獲得所需合金的列印力學效能提供了思路。相關論文以題為“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design”發表在Science上。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141
文章導讀
金屬3D列印過程通常涉及多重物理和冶金現象，從而賦予列印構件複雜的微觀組織結構和多樣的力學效能。對於凝固過程初生相為立方晶胞晶體結構的金屬材料，初生晶粒通常沿著熔池最大溫度梯度方向擇優生長，並且在重熔的條件下呈現很強的外延生長傾向。雖然這種具有強織構的柱狀晶結構對某些特定的應用有利，但是由於它不僅降低材料的力學效能（尤其是強度）並且還導致力學效能出現各向異性，所以通常被認為是不利組織。因此，研究者提出了不同的方法來促進柱狀晶向等軸晶轉變(CET轉變)和晶粒細化。常用方法主要包括工藝控制和新增晶粒細化劑，其中工藝控制方法主要有調控3D列印引數或者引入外部干擾。然而，這種方法的適用性通常侷限於特定的合金或者3D列印技術。另外，新增晶粒細化劑的方法雖然行之有效，但是通常會引入或者生成脆性第二相，導致列印構件的塑性嚴重下降。尤其對於鈦合金，實現晶粒細化同時不降低塑性，比其他常用合金（例如鋁合金）更具有挑戰性。
另一方面，3D列印過程逐層熔融形成的迴圈能量輸入，會對沉積材料產生“原位熱處理”效應，導致初生相的分解或者新相的析出，進而致使列印構件內的組成相沿著列印方向呈現不均勻分佈。這種組織特點對獲得均勻的力學效能增加了額外的挑戰。雖然列印後均勻化熱處理通常能夠消除組成相的不均勻性，但是會增加部件的生產時間與成本，同時對消除柱狀晶的作用有限。因此，3D列印構件內部強織構柱狀晶與不均勻分佈組成相兩者共存，對獲得均勻且優異的力學效能帶來了極大的難度。
Ti-5553是一種常見的商用亞穩態β鈦合金，然而在3D列印條件下呈現粗大的β柱狀晶與組成相不均勻分佈的共存現象，進而引起列印構件力學效能嚴重不均勻，且與明顯低於傳統工藝下的力學效能（如圖1所示）。在該研究中，研究者透過在Ti-5553鈦合金粉末中新增5 wt% 鉬奈米顆粒，展現了同時消除柱狀晶與不均勻分佈相的“一箭雙鵰”效果：(1) 在凝固過程，鉬顆粒部分熔融，殘留顆粒作為異質形核點促進晶粒細化；(2) 在後續固態相變過程，鉬溶質透過穩定β相，從而抑制α相以及等溫ω相的析出。所獲得的Ti-5553+5Mo與模型合金Ti-5553相比，具有更加均勻且優異的力學效能（如圖2所示）。這種均勻且優異的力學效能源於鉬新增引起晶粒結構與組成相兩個方面的改變。
圖1 採用鐳射粉末床熔融(L-PBF)技術列印的Ti-5553的組織與力學效能
圖2 採用鐳射粉末床熔融(L-PBF)技術列印的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力學效能比較
晶粒結構
新增鉬顆粒首先引起晶粒結構的變化（如圖3所示）：與Ti-5553呈現的粗大的強織構柱狀晶不同，Ti-5553+5Mo具有更加細化的晶粒結構和更弱的織構。透過對列印試樣頂層的微觀組織進行分析，發現殘留的鉬顆粒是促進晶粒細化的主要因素之一。鉬元素具有比鈦合金更高的熔點，同時具有β-Ti相相同的晶體結構（BCC）和相近的晶格常數。這些特點是保證鉬半熔融顆粒能夠在熔池中存留並且促進異質形核的重要條件。在凝固過程，鉬的作用主要兩個：(1) 鉬半熔融顆粒為初生β-Ti相提供形核質點；(2) 熔融的鉬溶質在半熔融鉬顆粒周圍提供一個成分過冷區，從而促進異質形核。在傳統凝固過程中，通常出現的是：溶質元素在固液介面的再分配形成成分過冷區，促進外來核心的異質形核能力。而在本研究中，鉬顆粒熔融，在殘留顆粒周圍提供一個溶質富集區，從而促進本身的異質形核能力。透過DICTRA模擬，也進一步印證了在凝固過程鉬顆粒周圍鉬溶質富集區的存在，為實驗現象提供了有力支撐（如圖4 所示）。
圖3 Ti-5553和Ti-5553+5Mo的微觀組織表徵
圖4 Mo顆粒與鈦基體介面的透射電鏡表徵與DICTRA模擬
組成相
新增鉬顆粒同時也引起組成相的變化（如圖5所示）：Ti-5553在熱迴圈的作用下出現α相和等溫ω相的析出且呈現不均勻分佈；而Ti-5553+5Mo由於新增鉬顆粒引入β-Ti相穩定元素，從而抑制新相的析出，進一步保證力學效能的均勻性。Ti-5553+5Mo試樣自上而下呈現胞狀結構，這主要是Ti元素在胞狀結構邊界富集引起的。
總之，本研究展現了透過單一新增鉬顆粒同時消除柱狀晶與不均勻分佈相的“一箭雙鵰”合金設計策略，從而獲得更加均勻且優異的力學效能。由於柱狀晶與不均勻分佈相在其他合金體系中普遍存在，本研究預計為其他3D打印合金的設計提供參考。
圖5 Ti-5553和Ti-5553+5Mo的組成相分析
來自微信公眾號“材料科學與工程”。感謝論文作者團隊供稿支援。
