3D打印鈦合金助力業(yè)化升級！直接用于服役的超強(qiáng)和熱穩(wěn)定的鈦合金

來源：材料人  

許多制造業(yè)的最終目標(biāo)是迅速生產(chǎn)出又強(qiáng)又輕的復(fù)雜形狀金屬部件。增材制造(AM)是一種可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由的技術(shù)，幾乎可以制造任何幾何零件。因此，AM正在引領(lǐng)多個(gè)行業(yè)的金屬制造新時(shí)代，包括航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)和能源部門。但是大多數(shù)由AM制造的商用鈦合金在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中沒有令人滿意的性能，特別是在室溫和高溫下的承重條件下的強(qiáng)度不足。低能量納米孿晶界(TBs)能有效地阻礙和傳遞位錯(cuò)，提供優(yōu)異的強(qiáng)度和良好的塑性。一般來說，在金屬中創(chuàng)建完全納米孿晶結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，需要復(fù)雜的方法，如電沉積、濺射或嚴(yán)重的塑性變形等。即使這樣，含有大量納米孿晶組分的尺寸、形狀和熱穩(wěn)定性通常都是有限的。本工作證明了鈦合金可以利用AM固有的熱循環(huán)和快速冷卻來實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的納米沉淀微觀結(jié)構(gòu)，。沉淀物本身是納米孿晶，平均孿晶厚度小于10nm。致密的納米孿晶沉淀具有前所未有的強(qiáng)度并保持良好的延展性。

成果掠影
最近，來自澳大利亞蒙納士大學(xué)增材制造中心的黃愛軍教授、朱玉滿高級研究員聯(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)的相關(guān)知名學(xué)者，揭示了增材制造可以利用熱循環(huán)和快速凝固來創(chuàng)造可能直接用于服役的超強(qiáng)和熱穩(wěn)定的鈦合金。以一種商用鈦合金為例，經(jīng)過簡單的熱處理后，其延伸率和抗拉強(qiáng)度均超過了1600 MPa。這種優(yōu)異的性能是由于形成了在傳統(tǒng)加工的鈦合金中罕見地致密、穩(wěn)定的內(nèi)部納米孿晶沉淀物。這些納米孿晶沉淀物來源于具有螺旋特征的高密度位錯(cuò)，在增材制造過程中自動(dòng)形成。該工作為制造具有獨(dú)特微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)材料提供了廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Ultrastrong nanotwinned titanium alloys through additive manufacturing”為題發(fā)表在國際材料頂級期刊Nature Materials期刊上。本次材料人特別邀請到了文章通訊作者黃教授，對一干業(yè)內(nèi)讀者的問題進(jìn)行回答。一起來看！

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01359-2

核心創(chuàng)新點(diǎn)
(1)發(fā)明通過增材制造過程中的循環(huán)熱以及快速冷卻制備納米孿晶鈦合金；

(2)納米孿晶鈦合金具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，可直接實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

專訪問答

Q:為何熱處理時(shí)析出納米孿晶α相？是否與打印態(tài)材料的微觀組織有關(guān)？
A:是的，這是由于3D打印特有的快速凝固帶來的應(yīng)變場，使得原始打印態(tài)有高密度的位錯(cuò)，這些晶格缺陷是納米孿晶alpha相析出的主要原因之一

Q:530℃熱處理的材料中納米孿晶α相尺寸以及比例有何變化？與熱處理溫度有何關(guān)系？
A:溫度越高，則析出相尺寸越大，同時(shí)理論上說析出相比例會(huì)減小，但是這個(gè)需要很長時(shí)間處理（達(dá)到平衡態(tài)）


Q:材料在宏觀尺度上是否會(huì)因?yàn)榇蛴∵^程熱循環(huán)的存在導(dǎo)致空間上的組織不均勻性？是否會(huì)導(dǎo)致后續(xù)熱處理中納米孿晶α相只在部分區(qū)域析出？
A:理論上不會(huì)，3D打印的一個(gè)巨大優(yōu)勢就是宏觀組織的均勻性（初始打印的幾層及最后一層除外，織構(gòu)也除外）-他們是一個(gè)個(gè)的微小等同熔池堆積而成，由于這個(gè)析出主要由于晶格缺陷，這樣的晶格缺陷是相對均勻的。

Q:鈦合金作為一種與鋼有相當(dāng)力學(xué)性能的合金，未來其可以部分或完全替代鋼嗎？相比之下有哪些優(yōu)缺點(diǎn)值得注意？
A:在某些領(lǐng)域高強(qiáng)鈦合金已經(jīng)或者正在取代鋼，比如飛機(jī)起落架用材，高強(qiáng)鈦合金主要優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度高（輕質(zhì)），抗環(huán)境腐蝕，而同等強(qiáng)度的鋼的優(yōu)點(diǎn)是成本低，剛度好- 根據(jù)各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合服役環(huán)境來選擇材料吧

Q:該文章提出的方法是否可以打印高溫鈦合金？
A:不太適用高溫鈦合金，一般高溫鈦合金是近alpha合金，其打印態(tài)一般是馬氏體而不是亞穩(wěn)beta相，這樣這種析出強(qiáng)化就無法實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)概覽

圖1 通過LPBF（激光粉末床熔合）制備及熱處理后的商用β - C鈦合金拉伸的力學(xué)響應(yīng)；a，在480°C/6 h和520°C/3 h下，3D打印樣品和熱處理后樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b, LPBF β-C合金熱處理后比強(qiáng)度與均勻伸長率(UE)的相關(guān)性，并與AM制備的其他高強(qiáng)度鈦合金、鋼、鋁和鎳基高溫合金進(jìn)行比較。

圖2 LPBF成型及熱處理后β - c鈦合金的顯微組織；a, BF TEM圖像顯示了微觀組織中密集的位錯(cuò)。該圖像在{10}<110>β雙束條件下拍攝。b, XRD譜證實(shí)了在制備和熱處理時(shí)微觀組織中存在的相。c, HAADF-STEM圖像顯示熱處理組織中密集的α-沉淀(480°c /6 h)。圖中黃色虛線為β基質(zhì)中缺少典型的GB α相的GB的跡線。電子束平行于<100>β晶帶軸。

圖3 熱處理(480℃/6 h)后，納米孿晶α-在LPBF組織中析出。a - c, BF-STEM圖像顯示α-析出相中存在沿著三個(gè)方向的高密度片層。觀察方向平行于<111>β或{110}α; d.自局部區(qū)域的原子尺度HAADF -STEM圖像顯示三個(gè)α-變體具有{101}α-孿晶關(guān)系。TBs用黃色虛線表示，而每粒中的基面用白線表示。孿晶的某些邊緣和{103}α TB用紅色虛線表示。e，表示β-相和{101}α α-孿晶變體之間的Burgers OR的示意圖(用它們的晶胞表示)。透射束方向?yàn)?111>β或{110}α。f，原子分辨率HAADF-STEM圖像顯示{101}α TB中的溶質(zhì)周期性偏析。圖像中的每個(gè)亮點(diǎn)表示一個(gè)富含Mo/ Zr的原子柱。插圖中的原子柱強(qiáng)度分布圖顯示了TB上兩個(gè)相鄰亮點(diǎn)(5.5 Å)與亮點(diǎn)及其左側(cè)相對暗點(diǎn)(2.5 Å)之間的距離。

圖4 螺旋位錯(cuò)周圍納米孿晶沉淀的MD模擬；a, 1 / 2 <111>β型螺位錯(cuò)排列在純?chǔ)履�擬單元中。b，當(dāng)三維拉伸應(yīng)力在600 K作在單元胞時(shí)，在位錯(cuò)線的不同位置觀察到三個(gè)α-析出相變體從三個(gè){10}β平面成核。c - e，隨著加熱時(shí)間分別為37.5 ps (c)、52.5 ps (d)和67.5 ps (e)， α-析出相逐漸生長。三種α-析出相分別以黃色、紅色和藍(lán)色表示。

成果啟迪
在純金屬中獲得致密的納米孿晶可以獲得非常高的強(qiáng)度和足夠的延展性，但這種孿晶納米沉淀在任何合金中都沒有報(bào)道過。本文的工作揭示了AM固有的熱循環(huán)和快速凝固可以用來操縱獨(dú)特的析出組織以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。這已經(jīng)在一種商用鈦合金中實(shí)現(xiàn)，可以對工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生直接影響。這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)有望為物理冶金領(lǐng)域的強(qiáng)化和位錯(cuò)工程原理提供根本性的見解。