顶刊 Nature 最新研究！超细晶粒高强度钛合金3D打印材料

影响金属增材制造广泛应用的障碍之一是晶粒结构控制中所存在的挑战，晶粒结构控制可能会影响热裂敏感性等因素，并产生各向异性的机械性能，这种现象尤其存在于高性能合金的增材制造中。当前，仍需要开发具有高强度和最佳凝固性能的新型合金，从而最大程度地使金属增材制造技术成为极具优势的高性能部件制造途径。

材料界已经认识到细小和等轴晶可以减少热裂纹并能够改善性能，但在目前的钛合金增材制造过程中，由于高冷却速率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，在增材制造中形成等轴晶粒是一个巨大的挑战。

这一问题有望在新型钛-铜合金材料增材制造中得以解决。与新型钛-铜合金相关的研究论文 “Additive manufacturing of ultrafine-grained high-strength titanium alloys (超细晶粒高强度钛合金的增材制造)”，12月4日发表于顶级期刊Nature。

钛-铜合金材料3D打印样件。来源：RMIT University

精细的等轴晶粒

根据论文概述，增材制造的钛合金零件已被用于多个行业，但是基于金属熔融的金属增材制造过程所固有的高冷却速率和高热梯度，通常会生成非常精细的微观结构，并趋向于几乎只具有柱状晶粒。而增材制造钛组分中的柱状晶粒会导致各向异性的机械性能，这是一个有待解决的问题。通过优化增材制造加工参数的方式仍难以改变条件从而促进钛晶粒的等轴生长。与铝合金等其他常见的工程合金材料相比，目前市场上缺少可供材料制造商有效地细化微观结构的商用钛晶粒细化剂。

a. 增材制造Ti-6Al-4V合金的光学显微照片，显示出粗大的柱状晶粒。b.相比之下，在相同的制造条件下，增材制造Ti–8.5Cu合金的光学显微组织沿制造方向显示出细密的、完全等轴的晶粒。来源：Device & Material Engineering

为了应对这一挑战，研究团队在论文中提出了一种新型钛-铜合金材料，由于凝固过程中合金元素的分配，这种钛-铜合金具有较高的组织过冷能力，可以克服激光中高热梯度的负面影响。增材制造过程中的熔化区域无需任何特殊的工艺控制或额外的后处理，研究团队3D打印的钛-铜合金样件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，新型钛-铜合金还显示出特殊的机械性能，例如高屈服强度和均匀的伸长率，这是由于在制造过程中的高冷却速率和多个热循环而产生形成了超细共析微结构。

研究团队预计该方法将适用于其他形成共析金属的合金系统，并将在航空航天和生物医学行业中得到应用。澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）为论文的通讯单位之一，部分团队成员来自该大学的增材制造中心，研究团队还包括 CSIRO，澳大利亚昆士兰大学以及美国俄亥俄州立大学合金成分和晶粒微结构领域的研究人员。

根据论文的通讯作者Mark Easton教授，他们所研究钛-铜合金材料具有完全等轴的晶粒结构，这意味着晶粒在各个方向上均等地生长以形成牢固的结合，具有这种微观结构的合金可以承受更高的力，并且在制造过程中出现裂纹或变形等缺陷的可能性要小得多。

论文第一作者表示，在RMIT 增材制造中心，Mark Easton教授领导的团队为金属增材制造组件（尤其是轻合金）设计可调谐的微结构。该项目背后的理论基于David StJohn教授等人提出的相互依存理论（Acta Mater.2011，59，4907）。该想法是利用组织的过冷能力，克服增材制造过程中凝固条件的负面影响。另外，为了充分利用金属增材制造工艺的优势，例如在分层过程中进行热循环，共析体系及其珠光体微结构可能会受益。研究团队预想，金属增材制造独特的热循环和高冷却速率将有助于改善传统工艺中珠光体-钛中发生的严重微偏析，从而获得所需的机械性能。