克服了合金製造中的強度-延展性權衡！
三維(3D)列印（也稱為增材製造）持續重塑各行各業，包括金屬生產。其優點包括減少製造複雜金屬零件的時間和成本以及增加定製化。然而，該技術在3D列印金屬合金中實現均勻的機械效能仍然面臨挑戰。
鑑於此，昆士蘭大學Matthew S. Dargusch教授（通訊）、展示了一種設計策略，可直接透過3D列印獲得穩定且增強的效能。以Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr為模型合金，他們展示了新增鉬（Mo）奈米粒子可促進凝固過程中的晶粒細化，並抑制固態熱迴圈過程中相異構的形成。雙功能新增劑帶來的微觀結構變化使合金具有均勻的機械效能，並同時提高了強度和延展性。他們展示了如何透過單組分改性這種合金來解決不利的微觀結構問題，為直接透過3D列印獲得理想的機械特性提供了途徑。相關研究成果以題為“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design”發表在最新一期《Science》上，第一作者為Jingqi Zhang。
【目前困境】
在逐層3D列印過程中（通常具有~10 3至10 8 K/s的高冷卻速率），邊緣附近會形成顯著的熱梯度，並且熔池底部，金屬粉末已被鐳射束熔化。熱梯度引起沿著新熔化的材料和下面的固體材料之間的介面的外延晶粒生長，晶粒朝熔池中心生長。多層列印過程中的加熱和部分重熔迴圈最終會導致形成大的柱狀晶粒和不均勻分佈的相，這兩種情況都是不希望的，因為它們會導致不均勻（各向異性）和機械效能受損。
鈦合金是最強的金屬材料之一。在環境溫度下的工程應用中，合適的鈦合金通常表現出〜10％至〜25％的拉伸伸長率（材料在斷裂前可以承受的最大拉伸或變形），這反映了良好的材料可靠性。儘管更大的伸長率（延展性）有利於更容易成型並在某些應用中佔據優先地位，但在該伸長率範圍內增加強度對於承受機械負載來說是優選的。在加工金屬材料的傳統和增材製造技術中，強度和延展性之間的權衡是普遍存在的。
【策略設計】
圖 1. L-PBF生產的Ti-5553的顯微組織和力學效能
目前通常採用多種策略來提高3D打印合金的強度和延展性。其中包括優化合金設計、工藝控制、細晶界強度和晶粒微觀結構改性。它們還包括抑制不需要的（脆性）相、引入第二相以及新增後處理處理。最近解決柱狀晶體和不良相問題的研究集中在原位摻入元素以改變微觀結構和相組成。這種方法還促進了等軸晶體的形成，即沿縱軸和橫軸晶粒尺寸大致相等的結構。3D列印這種獨特的原位合金化能力為克服強度和延展性之間的持久折衷提供了一條有前途的途徑，特別是在粉末床熔融和定向能量沉積等技術中。粉末床熔融工藝利用熱能選擇性地熔融平臺上薄層金屬粉末的區域。定向能量沉積方法涉及透過惰性氣體從噴嘴同軸供給金屬粉末，同時在沉積到表面上之前透過聚焦能源進行熔化。
裝飾有鉬顆粒的鈦合金粉末在 3D 列印時表現出均勻的拉伸效能
人們對在3D打印合金中新增不同元素時的晶粒形態和機械效能進行了探索。然而，對於鈦合金，市售晶粒細化劑通常對晶粒結構的效果有限。鈦合金的細化機制，特別是3D列印凝固過程中的柱狀到等軸轉變，已被廣泛研究，但效率限制仍然存在。
在鈦合金（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr+5Mo）的原位合金化過程中，本文沒有使用可能導致金屬間共晶形成的脆性金屬間共晶的β-共晶穩定劑元素，而是使用了β-異構家族中的鉬（包括鈮（Nb）、鉭（Ta）和釩（V））。現場合金化將鉬精確地輸送到熔池中，在每次層掃描過程中作為晶體形成和細化的種子核。鉬新增劑促進了從大型柱狀晶粒向精細的等軸和窄柱狀晶粒結構的過渡。鉬還能穩定所需的β相，並抑制熱迴圈過程中相異構的形成。這種策略產生了優異的均勻性，同時具有926兆帕的屈服強度和26%的延展性。
圖 2. L-PBF生產的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的機械效能
【晶粒結構與相分析】
圖 3. Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的顯微組織表徵
在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr+xMo（其中x=5wt%）的案例中，作者在母體粉末中添加了額外的Mo，使Mo的總重量百分比達到了10%。這最大程度地降低了化學複雜性，實現了晶粒形態從柱狀到等軸狀的轉變，提高了所需的相穩定性，並實現了印刷金屬的各向同性。值得注意的是，單獨使用相同成分的預合金化粉末並不能產生類似的列印效果。考慮到之前的觀察結果，這一點不足為奇。例如，與單獨使用預合金粉末相比，透過原位合金化處理的鈦鈮合金具有不同的微觀結構和效能。同樣，使用預合金Ti-6Al-4V-5Cu粉末進行3D列印的合金在柱狀β晶粒中出現了針狀α′晶粒，導致延展性變差。
圖 4. Mo 顆粒與鈦基體介面的 TEM 表徵和 DICTRA 模擬
值得一提的是，作者確實在微觀結構中發現了未溶解的鉬顆粒，其潛在影響尚不清楚。事實上，原位合金化策略中隨機存在的未溶解顆粒已經引起了人們對機械和腐蝕特性的關注。例如，原位合金新增劑顆粒的完全熔化可能需要更高的能量，而過熱可能導致微觀結構的改變和更差的機械效能。此外，未溶解的新增劑鉬顆粒所產生的動態疲勞和腐蝕效能也是未知的。雖然壓印後熱處理可以消除未溶解的顆粒，但可能會改變微觀結構，潛在地損害機械效能。
圖 5. Ti-5553 和 Mo 摻雜 Ti-5553 的相分析
【總結】
本文提出的設計策略為探索不同的金屬粉末原料、不同的可打印合金系統和不同的3D列印技術以及先進的多材料列印開闢了一條途徑。它還能夠抑制柱狀晶粒的形成並防止不良的相不均勻性。這些問題是由於不同的熱分佈而產生的，而熱分佈受每種粉末的列印引數的影響。該策略還克服了列印狀態下的強度與延展性權衡，最大限度地減少了列印後處理的需要。這些優勢無疑將在3D列印領域引發漣漪。
來源：高分子科學前沿
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