近日，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃曉旭教授團(tuán)隊(duì)與澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授等研究團(tuán)隊(duì)合作，在《Nature Communications》上發(fā)表題為“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”的研究成果，重慶大學(xué)為共同通訊單位，黃曉旭教授為共同通訊作者，材料學(xué)院侯自勇副教授為論文共同作者。
增材制造作為一種靈活高效的材料制備手段，為新型合金設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了新機(jī)遇。然而，3D打印所經(jīng)歷的超快速凝固、內(nèi)稟熱循環(huán)等，容易導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)組織及成分的差異，進(jìn)而造成材料整體性能的不均勻。針對(duì)上述問(wèn)題，人們常常通過(guò)調(diào)控打印參數(shù)或者添加細(xì)化劑，可以有效消除諸如缺陷和柱狀晶等，但對(duì)于打印過(guò)程中因熱循環(huán)而造成的相(組織)成分差異一直未能解決。
為此，研究團(tuán)隊(duì)以典型鈦合金Ti-6Al-4V為研究對(duì)象，從合金設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算，通過(guò)添加適量CP?Ti和Fe2O3，以稀釋擴(kuò)散速率較慢的V、引入擴(kuò)散速率較快的Fe，調(diào)控打印過(guò)程中相變發(fā)生的臨界條件和速度，打印材料在各階段均能獲得成分均勻的相(組織)，消除了性能不均勻性。此外，該研究以合金設(shè)計(jì)指導(dǎo)3D打印，拓展了3D打印制備性能均勻合金的廣度，為制備具有均勻性能的未知結(jié)構(gòu)合金提供了新的解決思路和方案。
圖 1：Ti-6Al-4V 和通過(guò)激光功率床融合 (L-PBF) 制造的新開(kāi)發(fā)合金 (25Ti-0.25O) 的顯微組織和拉伸性能比較。
圖 2：原料制備和表征。
圖 3：L-PBF 制造的新開(kāi)發(fā)合金的機(jī)械性能。
圖 4：新開(kāi)發(fā)合金的原子探針斷層掃描 (APT) 表征。
在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一系列鈦合金，這些鈦合金具有出色的拉伸性能，沒(méi)有明顯的機(jī)械不均勻性。已經(jīng)表明，鈦合金中典型的和不希望的相不均勻性與增材制造固有的熱循環(huán)有關(guān)，可以通過(guò)合理的合金設(shè)計(jì)來(lái)消除。預(yù)計(jì)新開(kāi)發(fā)的鈦合金可以成為需要具有均勻機(jī)械性能的鈦合金應(yīng)用的候選材料。這需要對(duì)其他機(jī)械性能（如疲勞性能和抗蠕變性）和耐腐蝕性。此外，與以前主要關(guān)注晶粒細(xì)化（通過(guò)合金設(shè)計(jì)）和/或缺陷控制（通過(guò)工藝優(yōu)化）的研究不同，工作表明，解決相異質(zhì)性對(duì)于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)同樣重要，甚至更重要。
注：本文內(nèi)容來(lái)自重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。
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