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研究背景
隨著3D打印技術的飛速發展，激光粉末床熔融技術成為金屬結構制造領域的一項重要技術。然而，這項技術隨之而來的微觀結構問題成為了科學家們關注的焦點。在傳統的金屬合金中，粗柱狀晶粒和異質分布相的形成通常是由于凝固過程中的不理想因素引起的，這導致了金屬微觀組織的不均勻性和機械性能的下降。因此，解決這一問題成為了當今金屬制造領域中的一個緊迫任務。特別是在激光粉末床熔融技術中，研究者們面臨著挑戰，即如何通過微觀結構的設計策略來提高金屬材料的性能。在這個背景下，針對3D打印生產的金屬合金，研究者們開始探索新的方法，以解決粗柱狀晶粒和異質相分布不均帶來的機械性能問題。鑒于此，近日澳大利亞昆士蘭大學Matthew S. Dargusch教授團隊提出了一種創新的設計策略，即在普通鋁合金中添加鉬納米粒子。這一設計策略的目標是在激光粉末床熔融技術中獲得一致且增強的性能，從而克服傳統金屬合金中不理想的微觀結構。通過將Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金作為模型合金，研究者們成功展示了通過添加鉬納米粒子可以促進晶粒的細化，同時抑制相異構的形成。這種雙功能添加劑帶來的微觀結構變化使得金屬合金具有更均勻的機械性能，同時提高了強度和延展性。這一研究為金屬制造領域的發展提供了新的思路和方向。
研究內容
本研究通過激光粉末床熔融（L-PBF）技術制造 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）可變型 β 鈦合金產品，面對該合金存在的晶粒結構和相組成不均勻性的挑戰，提出了一種設計策略。作者選擇 Ti-5553 合金作為模型，該合金在L-PBF制造過程中顯示出粗柱狀 β 晶粒和相的異質分布。首先，圖1A至C展示了 Ti-5553 合金的微觀結構，強調了合金中存在的晶粒和相的不均勻性。這種不均勻性導致了 L-PBF 制造的產品在不同位置具有高度變化的拉伸特性，如圖1D和E所示，與其他研究在不同3D打印技術中的結果一致。為了解決這一挑戰，研究者在 Ti-5553 粉末中單次添加了最多5.0 wt % 的β-異構體元素，形成復合結構。該設計策略具有雙重功能：首先，一部分鉬顆粒在3D打印過程中部分熔化，但其核心部分存活下來并在凝固過程中形成細晶粒，有效防止粗柱狀晶粒的形成。其次，溶解的鉬溶質穩定了β相，并抑制了固態熱循環下等溫ω相和α相的形成。因此，通過引入雙功能鉬，合金的微觀結構發生了變化，不僅提高了機械性能的均勻性，同時也增強了強度和延展性。 圖1. L-PBF制備Ti-5553的顯微組織和力學性能。為了應對激光粉末床熔融（L-PBF）制造中 Ti-5553 合金存在的機械性能不均勻的問題，本研究采用了機械混合的方法，分別在 Ti-5553 中添加了 2.5 wt % 和 5.0 wt % 的 Mo，分別稱為 Ti-5553+2.5Mo 和 Ti-5553+5Mo。通過改進的鈦合金 L-PBF 加工參數制備了添加和未添加 Mo 的 Ti-5553 零件，并采用兩種不同幾何形狀的零件（狗骨形和長方體形零件）來評估添加 Mo 對機械性能的影響。結果顯示，Ti-5553+5Mo相比Ti-5553表現出更強、更均勻的機械性能，特別是在拉伸工程應力-應變曲線方面（圖 2A）。Ti-5553的性能較差，整個部件的性能變化較大，而Ti-5553+5Mo則表現出更高的一致性和強度。無論零件的幾何形狀如何變化，狗骨形零件中Ti-5553+5Mo的機械性比較好。為了評估拉伸延性的各向異性程度，研究者將 Ti-5553+5Mo 的拉伸延性數據與 Ti-5553 和與 Ti-5553 化學成分較為相近的類似合金進行比較（圖 2B）。Ti-5553+5Mo顯示出更高和更各向同性的延展性，與 Ti-5553 和其他合金相比，其拉伸延性表現更為出色。進一步比較了 Ti-5553+5Mo 與 Ti-5553、Ti-55531 和 Ti-55511 的屈服強度和斷裂伸長率（圖 2C）。相較于原位制造狀態下的 Ti-5553 及其類似合金，Ti-5553+5Mo 的屈服強度相當，但延展性顯著更高。與需要進行后續熱處理的 Ti-5553 相比，Ti-5553+5Mo 無需額外熱處理即可在 L-PBF 中顯示出優異的強度和延展性平衡。 圖2. L-PBF制備的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力學性能。為了揭示添加 Mo 對 Ti-5553 合金晶粒結構的影響，研究者采用EBSD 表征方法對 Ti-5553 和摻 Mo 的 Ti-5553（Ti-5553+5Mo）進行了詳細研究。首先，Ti-5553 合金的微觀結構展示了沿掃描方向的相對較大的晶粒和沿構建方向的粗柱狀 β 晶粒。而在 Ti-5553+5Mo 合金中，通過機械混合方法添加了 5.0 wt % 的 Mo 后，微觀結構發生顯著變化。Ti-5553+5Mo 合金的微觀結構表現為沿掃描軌跡邊緣形成了大量細小的等軸晶粒和沿構建方向存在細小的等軸晶粒和狹窄的柱狀晶粒，呈周期性分布。與 Ti-5553 相比，Ti-5553+5Mo 的柱狀晶粒長度尺度由熔池尺寸決定，結晶組織變得隨機而微弱。研究者特別關注 Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的最頂層，該層經歷的熱循環相對較弱。對 Ti-5553 最頂層的微觀結構表明粗柱狀晶粒的存在，而 Ti-5553+5Mo 的最頂層主要以細小的等軸晶粒為主。通過背散射電子對 Ti-5553+5Mo 的進一步表征，發現在等軸樹枝狀晶粒的中心存在一些顆粒并富含鉬，并通過能散射 X 射線光譜證實了這一點。該研究清晰揭示了添加 Mo 對 Ti-5553 合金晶粒結構的顯著影響。通過機械混合添加 Mo，實現了晶粒結構的細化和結晶紋理的減弱，為 Ti-5553+5Mo 合金的優異機械性能提供了微觀結構上的解釋（圖見3）。 圖3. Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的顯微組織。為了深入研究富鉬顆粒，研究者進行了SEM-EDX和透射電子顯微鏡 (TEM) -EDX線掃描，并在圖 4A 中展示了結果。SEM-EDX濃度分布圖顯示了從鉬顆粒到鈦基體的漸變，而TEM-EDX線掃描也進一步證實了這一漸變的存在（圖 4B）。高分辨率的TEM成像展示了富鉬顆粒與鈦基體之間的完全吻合，呈現出連貫的界面（圖 4C）。SEM和TEM的觀察結果表明，跨越鉬粒子和鈦基體的過渡區域在晶粒細化過程中發揮著關鍵作用。由于這些表征是在激光粉末床熔融（L-PBF）過程中樣品經歷了凝固和固態轉變時進行的，目前尚不清楚過渡區是在熔池中形成的，還是在凝固后通過固態擴散形成的。盡管目前的實驗技術還無法準確描述這一過程，但這些結果強調了過渡區域在晶粒細化中的重要性。為了更好地理解凝固過程中 Mo 粒子的溶解，研究者使用了 DICTRA（擴散控制轉變）進行擴散模擬，并在圖 4D 中呈現了結果。這些模擬提供了關于 Mo 粒子在凝固過程中的溶解行為的有益信息，有助于解釋 Ti-5553+5Mo 合金中富鉬顆粒的形成機制。以上結果深入研究了 Ti-5553+5Mo 合金中富鉬顆粒與鈦基體之間的界面，揭示了其漸變結構和連貫界面，為了解添加 Mo 在晶粒細化中的作用提供了重要的實驗觀察和模擬結果。 圖4. Mo 顆粒與鈦基體界面的 TEM 和 DICTRA 模擬。本研究展示了鉬的添加不僅細化了晶粒結構，還改變了固態微觀結構中的組成相。SEM-EDX和TEM-EDX線掃描結果表明，鉬的加入導致了鈦基體中總體鉬溶質濃度的增加，從而影響了相的穩定性和微觀結構的演變。圖5A和C展示了沿Ti-5553零件構建方向的相分布，表明α相的分布從零件底部到頂部有明顯的變化，并且X射線衍射(XRD)證實了α相的存在（圖5B）。此外，TEM選區電子衍射(SAED)圖中出現了等溫ω相的特征，與DSC測量結果相符，這些相在523至773 K溫度范圍內形成。鉬的加入穩定了β相，并抑制了α相的析出，XRD圖譜中α相的強度隨Mo添加量的增加而降低（圖5B）。然而，Ti-5553+5Mo沿構建方向呈現凝固蜂窩狀結構，無針狀α相的跡象（圖5D和E）。進一步的SEM-EDX顯示，晶胞結構的邊界富含鈦溶質，這種現象通常與Ti合金化過程中β-異構元素的存在有關（圖5E）。該研究的發現與在L-PBF生產的其他高溶質含量合金中觀察到的蜂窩狀結構一致，這通常與凝固過程中溶質的微聚集有關。綜上所述，鉬的添加影響了Ti-5553合金的相分布和微觀結構演變，導致了凝固蜂窩狀結構的形成。 圖5. Ti-5553 和 Mo 摻雜 Ti-5553 的相分析。
總結展望
本研究通過在 Ti-5553 合金中添加鉬，成功地實現了對激光粉末床熔融（L-PBF）制造過程中晶粒結構和相組成的精確控制。在普通鋁合金中常見的粗柱狀晶粒和異質相分布問題得到解決，通過添加 Mo 納米粒子促進了對稱晶粒的生長，同時抑制了其他相的形成。通過這一設計策略，制得的樣品表現出更優異的機械性能，展示了個性化定制金屬結構的前景。Jingqi Zhang et al. ,Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design.Science383,639-645(2024).DOI:10.1126/science.adj0141
