2024年3D打印技术领域第二篇Science文章于2月8日发表。

来自澳大利亚昆士兰大学（Jingqi Zhang等）、重庆大学（Ziyong Hou 、Xiaoxu Huang）、丹麦技术大学的联合团队发表了题为“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design（通过双功能合金设计实现超均匀、高强度且具有延展性的3D打印钛合金）”文章。3D打印制备的钛合金达到926MPa的屈服强度和26%的延展性，实现了强度与延展性的均衡。

研究背景在金属3D打印过程中，经常会出现粗大的柱状晶粒和不均匀分布的相，导致机械性能不均匀甚至较差。研究涉及一种设计策略，可直接通过3D打印获得高强且性能一致的钛合金的方法。研究表明，在粉末金属混合物中添加钼（Mo）增强了相稳定性，并提高了3D打印合金的强度、延展性和拉伸性能的均匀性。Science同期评论文章指出，该方法有望应用于其他粉末混合物，并能够定制具有增强性能的不同合金。

导致金属3D打印合金性能不均匀的主要原因是：在逐层3D打印过程中，通常具有10³-10⁸K/s的高冷却速率，在金属粉末熔化的熔池边缘和底部附近形成显著的热梯度。热梯度引起沿着新熔化材料和下面固体材料之间的界面外延晶粒生长，晶粒朝熔池中心生长。多层打印过程中的加热和部分重熔循环最终导致形成大的柱状晶粒和不均匀分布的相，这两者都是不希望出现的，因为它们可能导致各向异性和受损的机械性能降低。

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提高强度和延展性的策略与限制

提高3D打印合金强度和延展性的策略有多种。其中包括优化合金设计、工艺控制、细晶界强化和晶粒微观结构改性，还包括抑制不需要的（脆性）相、引入第二相以及进行后处理。目前，解决柱状晶体和不良相问题的研究集中在原位掺入元素来改变微观结构和相组成。这种方法还促进了等轴晶体的形成，即沿纵轴和横轴晶粒尺寸大致相等的结构。原位合金化为克服强度和延展性之间的平衡为题提供了一条有前途的途径，特别是在粉末床熔融和定向能量沉积等3D打印技术中。

新研究带来的重大突破研究人员此次没有使用可能导致钛合金中形成脆性金属间共析体的β-共析稳定剂元素，而是选择了来自β-同晶族的Mo [包括铌 (Nb)、钽 (Ta) 和钒 (V)] 用于Ti-5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）。原位合金化过程中，将钼精确输送到熔池中，在每层扫描期间充当晶体形成和细化的籽晶核。Mo添加剂促进了从大柱状晶向细等轴和窄柱状晶结构的转变。Mo还可以稳定所需的β相并抑制热循环过程中相异质性的形成。

Ti-5553钛硬质合金掺Mo研究方法

研究人员比较了Ti-5553+5Mo与在L-PBF状态和打印后热处理下生产的Ti-5553（以及 Ti-55531和 Ti55511）的屈服强度和断裂伸长率。与制造状态下的Ti-5553及其类似合金相比，Ti-5553+5Mo显示出相当的屈服强度，但显著提高了延展性。打印后热处理通常用于平衡L-PBF生产的Ti-5553的机械性能。尽管在某些热处理条件下可以实现高屈服强度（>1100 MPa），但延展性通常会大幅恶化，断裂伸长率<10%，这限制了在安全关键型应用中的使用。例如，作为钛工业中所谓主力的Ti6Al4V，建议使用的最小断裂伸长率为10%。相比之下，无需下游热处理，Ti-5553+5Mo材料L-PBF直接打印件就表现出优异的强度和延展性平衡，这使其在在类似合金中脱颖而出。最终，研究人员通过该策略制造了具有优秀性能均匀性的材料，屈服强度926MPa，断裂伸长率26%。

相对于Ti-5553，Ti-5553+5Mo的机械性能异常均匀且机械性能得以提升。通过微焦点计算机断层扫描 (micro-CT)发现，以评估零件质量，两种材料均表现出非常高的密度，总孔体积分数分别为0.004024%和0.001589%。如此高的密度表明孔隙率不太可能导致Ti-5333高度分散的拉伸性能，并且也与Ti-5553+5Mo机械性能的高度一致性相符。为了揭示Mo添加对晶粒结构的影响，研究人对Ti-5553和Mo掺杂的Ti-5553进行了电子背散射衍射（EBSD）表征。Ti-5553的微观结构由沿扫描方向相对较大的晶粒组成，表现出很强的晶体织构。在Ti-5553中添加5.0wt% Mo会导致晶粒结构和相关晶体结构发生显著变化。许多细小的等轴晶粒（直径约20μm）非常明显，沿着Ti-5553+5Mo的扫描轨迹边缘形成。相比之下，Ti-5553+5Mo的显微组织的特征为沿构造方向细小的等轴晶和窄的柱状晶。对微观结构的仔细检查揭示了细小柱状晶粒的周期性分布。与Ti-5553中高度织构的柱状晶跨越多层不同，Ti-5553+5Mo中柱状晶的长度尺度由熔池尺寸决定，并且晶体织构变得随机且弱 。

由Ti-55535制成的断裂试样的EBSD表征END