劉錦川院士又發(fā)《Science》！另辟蹊徑，實現(xiàn)3D打印超級鈦合金

來源: 材料學(xué)與工程

日前，香港城市大學(xué)劉錦川院士團隊在”利用增材制造設(shè)計成分調(diào)制鈦合金“方面取得重大進展，以“In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing”為題，在國際頂尖期刊《Science》上發(fā)表重磅研究論文。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770

值得一提的是，今年9月17日來自美國加州大學(xué)伯克利分校、北京航空航天大學(xué)等單位的研究者在鈦合金領(lǐng)域也取得重要進展，在純Ti中通過低溫力學(xué)過程，構(gòu)建多層次納米孿晶結(jié)構(gòu)，顯著提高了其抗拉強度和延展性。純鈦達到了接近2GPa的極限拉伸強度和77K下接近100%的真實失效應(yīng)變，這篇文章登上了同期《Science》的封面。（登頂《Science》正刊封面！2GPa超高強度塑性納米孿晶鈦）

3D打印，也稱為增材制造，往往被看做是一種單純的直接成型技術(shù)。然而很少有人會想到，3D打印過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設(shè)計中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢。

在此，來自香港城市大學(xué)的張?zhí)炻〔┦吭趪�際著名材料科學(xué)家劉錦川院士的指導(dǎo)下，創(chuàng)造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度，設(shè)計出一種前所未見的微米級成分梯度結(jié)構(gòu)，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優(yōu)異的力學(xué)性能。

通常而言金屬材料中的成分不均勻性往往被看做材料內(nèi)部的重大缺陷，是研究人員一直所努力避免的。然而，材料的成分不均勻性卻很少被積極地利用起來作為有效的合金設(shè)計方法。一方面，這是由于人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠的認識；另一方面，也是因為傳統(tǒng)的鑄造、鍛造等方法往往無法對材料內(nèi)部的成分波動實現(xiàn)人為有效的調(diào)控。

增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，為研究人員提供了這樣一種有效調(diào)控成分波動的手段。基于這種全新的思路，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（Ti64和316L不銹鋼）進行混合打印。通過精心選擇的粉末種類，以及特殊的打印參數(shù)，在Ti-6Al-4V基礎(chǔ)合金中，成功實現(xiàn)了以Fe元素為主的微米級成分梯度。研究表明，打印完成狀態(tài)的合金并不是兩種原始合金的簡單混合，也即合金中并不存在純粹的Ti64合金或者316不銹鋼區(qū)域。與此相反，在兩種粉末的融化、混合過程中，所有合金元素都進行了有效的擴散和融合。不銹鋼中的Fe、Cr、Ni、Mo等元素完全溶解在Ti64合金基體中，實現(xiàn)了原位合金化。更重要的是，經(jīng)過特殊選擇的打印參數(shù)可以有效控制Fe、Cr等元素的濃度梯度和空間分布。這是一種前所未有的成分梯度組織。

這種微米級成分梯度帶來了三個有利影響。其一，合金元素濃度在空間上的調(diào)制帶來了相穩(wěn)定性以及微觀組織在空間上的調(diào)制，從而形成了α’馬氏體和亞穩(wěn)定β母相在三維空間中的周期性分布，并形成了熔巖狀的獨特微觀組織。其二，微米尺度上彌散且周期性分布的馬氏體-亞穩(wěn)態(tài)母相的特殊雙相組織有效地提高了鈦合金的力學(xué)性能。相比于傳統(tǒng)增材制造鈦合金而言，具有微米級成分梯度的鈦合金一方面在拉伸過程中，亞穩(wěn)定β相發(fā)生明顯的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體行為和相變誘導(dǎo)塑性，從而極大地改善了增材制造鈦合金的均勻變形和加工硬化能力，均勻延伸率提高了一倍以上；另一方面，高度彌散分布的超細馬氏體組織有效地維持了材料的高屈服強度（~1GPa），避免了傳統(tǒng)TRIP鈦合金低屈服強度情況的出現(xiàn)；其三，F(xiàn)e、Cr等元素的添加對于增材制造鈦合金的晶粒細化起到了明顯的作用。這些合金化元素可以有效提升鈦合金凝固過程中的成分過冷能力，阻止了常規(guī)粗大柱狀晶的形成。因此打印態(tài)的TI64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸只有約16微米，是目前所有增材制造鈦合金中所能實現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一，

綜上所述，研究者創(chuàng)造性地將成分調(diào)制的概念和3D打印結(jié)合起來，另辟蹊徑地設(shè)計出具有微米級成分梯度結(jié)構(gòu)的合金設(shè)計策略。本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性變廢為寶，成功用來設(shè)計成分非均勻的高性能合金材料，更是極大地開拓了增材制造技術(shù)的想象空間，使得這項技術(shù)不僅僅被用作復(fù)雜構(gòu)件的成型技術(shù)，更可以被開發(fā)為一種全新的合金設(shè)計和制造方法，從而有力地推動增材制造技術(shù)實現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計的夢想。

圖1 微米尺度成分梯度結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)。

圖2 Ti64-x316L的微觀組織和力學(xué)性能。其中Ti64-(4.5%)316L合金具有良好的強度-均勻延伸率組合�？估瓘姸雀哌_1.3 GPa的同時具有9%的均勻變形能力。

圖3 Ti64-(4.5%)316L合金在拉伸過程中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，極大地提升了合金的加工硬化能力和均勻變性能力。

圖4 合金元素對材料成分過冷能力的影響。Ti64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸遠遠小于普通增材制造Ti64合金，有效防止了粗大柱狀晶粒的產(chǎn)生。

劉錦川院士：現(xiàn)任香港城市大學(xué)杰出教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，美國橡樹嶺國家研究院資深院士，美國橡樹嶺國家實驗室金屬與陶瓷部合金行為與設(shè)計組前組長。劉錦川院士主要從事材料科學(xué)與工程和先進金屬材料的研究工作，在金屬間化合物、高熵合金、貴金屬合金設(shè)計、大塊金屬玻璃材料、鈦合金和增材制造等領(lǐng)域均做出了開創(chuàng)性的貢獻, 是國際材料界具有重要影響的杰出科學(xué)家。先后榮獲美國能源部（US-DOE）能源技術(shù)重大影響?yīng)�，美國能源部勞倫斯獎（美國總統(tǒng)獎），中國政府友誼獎以及中國國際科學(xué)技術(shù)合作獎等重大獎項。1995年被評為全球材料科學(xué)與冶金學(xué)術(shù)期刊被引用最多的前五位作者之一。2003年，被國際科學(xué)資訊（ISI）評為材料科學(xué)領(lǐng)域世界高引用科學(xué)家，并當(dāng)選世界科技聯(lián)席組織院士會員。近三十余年來，劉錦川院士一直致力于加強中美的學(xué)術(shù)交流與技術(shù)合作，特別是推進在高溫結(jié)構(gòu)材料、高熵合金、塊狀非晶及高性能鈦合金設(shè)計與制造等尖端領(lǐng)域的科學(xué)研究，為中國科學(xué)家在相關(guān)課題與領(lǐng)域的研究迅速進入國際先進水平做出了突出貢獻。

張?zhí)炻〔┦浚含F(xiàn)任職于香港高等研究院(HKIAS)。2015年獲西安交通大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2021年獲香港城市大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。師從國際著名材料科學(xué)家劉錦川院士和王云志教授。張?zhí)炻〔┦拷�年來從事先進鈦基合金的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在材料計算模擬-實驗表征等交叉學(xué)科領(lǐng)域具有廣泛的研究興趣。主要研究方向包括基于增材制造(3D打印)的先進高性能合金設(shè)計；金屬材料微觀組織演化和相變路徑的實驗表征-相場動力學(xué)研究；以及亞穩(wěn)態(tài)合金的力學(xué)響應(yīng)和相變行為等。已在Science, Acta Materialia和Scripta Materialia等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究論文15篇以上，并申請2項相關(guān)專利和軟件著作權(quán)，同時先后擔(dān)任多個國際期刊與雜志的審稿人。