《Nature》子刊：新突破！3D打印鈦合金極限強度高達1611 MPa

導(dǎo)讀：3D 打印技術(shù)設(shè)計自由度，幾乎可以制造任何復(fù)雜幾何形狀的零件，在航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)和能源領(lǐng)域正在引領(lǐng)著金屬零部件制造的新時代。目前，鈦合金是航空工業(yè)中使用最多的 3D 打印金屬材料。

2022年9月16日，南極熊獲悉，由澳大利亞蒙納士大學(xué)增材制造中心黃愛軍教授、朱玉滿高級研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊聯(lián)合上海理工大學(xué)、中科院金屬所、澳大利亞國立大學(xué)、澳大利亞迪肯大學(xué)以及美國俄亥俄州立大學(xué)利用 3D 打印技術(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)有商用鈦合金（BetaC合金，國內(nèi)牌號TB9）力學(xué)性能的大幅提升，使其具有現(xiàn)有所有 3D 打印金屬中最高的比強度。這項研究工作對3D打印領(lǐng)域來說意義是巨大的。

圖1 | (a)當(dāng)前研究中使用的 Beta-C 粉末的 SEM 圖像 (b) 粉末粒徑分布 (c) 用于拉伸測試和微觀結(jié)構(gòu)表征的3D打印 Beta-C 部件

研究人員利用 3D 打印工藝獨特的熱循環(huán)和快速凝固特點，在材料中形成致密、穩(wěn)定和多重內(nèi)部孿晶的獨特納米沉淀微觀組織結(jié)構(gòu)，從而獲得前所未有的拉伸強度。雖然現(xiàn)有工作已經(jīng)證明在純金屬中實現(xiàn)高密度的納米孿晶活納米沉淀相可以獲得異常高的強度和足夠的延展性，但這種具有致密內(nèi)部孿晶的納米沉淀相在現(xiàn)有商用合金中的研究還是首次報道。因此，該研究最大的亮點是提出了一種全新的現(xiàn)有商業(yè)鈦合金沉淀強化方法，可直接用于生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的部件，并可能應(yīng)用于目前還無法實現(xiàn)的3D打印承載結(jié)構(gòu)件制造，拓寬現(xiàn)有商用3D 打印鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用，并避免了航空航天領(lǐng)域?qū)π滦秃辖鸬陌嘿F、耗時長的認(rèn)證和研究過程。

圖2| 論文截圖

相關(guān)研究成果以題 “Ultrastrong Nano-twinned Titanium Alloys through Additive Manufacturing” 發(fā)表在《Nature materials》上。論文的共同通訊作者為蒙納士大學(xué)黃愛軍教授、朱玉滿博士和上海理工大學(xué)王皞教授，共同第一作者為蒙納士大學(xué)朱玉滿博士、張坤博士和中科院金屬所的孟智超博士研究生，中科院金屬所的楊銳教授和上海理工大學(xué)張愷副教授為共同作者。

在這項工作中，研究人員使用常用的激光粉床3D打印技術(shù)，制備了一種商業(yè)鈦合金 (Beta-C）。對打印試樣進行了兩種不同溫度的直接時效熱處理。圖 3a 為拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，顯示經(jīng)過 480°C 和 520°C 熱處理的樣品具出人意料的高強度。經(jīng)過 480°C 后熱處理后，極限強度達到了 1611 MPa 并保持了 5.4% 的均勻伸長率。這種強度高于迄今為止報道的所有3D打印鈦合金、鋼、鋁合金以及鎳基高溫合金，如圖 3b所示。此外，這種合金的強度和延展性可以通過調(diào)整熱處理方案來調(diào)控，從而滿足特定應(yīng)用需求。

圖3|通過激光粉床3D打印以及后續(xù)熱處理制備的商用 Beta-C 鈦合金的拉伸性能。

論文原文：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01359-2