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《Science》:一種新型3D打印設(shè)計，實現(xiàn)合金組織調(diào)控！

2021-12-18 來源：GS-Metals

增材制造，也稱為3D打印，是將多種冶金工藝整合到一個工藝流程中，使得材料的制造、成型和處理在一個流程中同時進行。然而，增材制造在很大程度上被認為是一種生產(chǎn)接近凈形狀的材料組件的成型技術(shù)，而沒有充分利用增材制造提供的協(xié)同改進合金性能和工藝流程的能力。實際上，增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，為研究人員提供了這樣一種有效調(diào)控成分波動的手段。通過逐點和逐層靈活地構(gòu)建組件，提供了創(chuàng)建具有特定位置成分和微觀組織的異質(zhì)合金的機會。

 

近日，香港城市大學(xué)劉錦川院士團隊基于這種思路展示了一種3D打印原位設(shè)計方法，通過使用激光-粉床熔融技術(shù)使兩種合金在空間上進行濃度調(diào)制，實現(xiàn)合金組織的可調(diào)控性。對兩種不同的合金熔體Ti-6Al-4V和少量的316L不銹鋼進行部分均質(zhì)化，使得在Ti-6Al-4V基體中產(chǎn)生微米級的316L元素的濃度調(diào)制。相應(yīng)的相位穩(wěn)定性調(diào)制產(chǎn)生了精細尺度的β+α′雙相微結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出漸進式轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)的塑性效應(yīng)，實現(xiàn)了約1.3GPa的高抗拉強度，約9%的均勻延伸率，以及大于300MPa的優(yōu)異加工硬化能力。研究成果以“In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing”為題在國際頂尖期刊《Science》上發(fā)表，全文鏈接為：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770。

 

 

 

這種微米級的調(diào)制技術(shù)的一個直接影響是對合金的相穩(wěn)定性和微觀組織的調(diào)制。通過背散射電子成像可知Ti64-(4.5%)316L中觀察到了類似熔巖的微觀結(jié)構(gòu)，顯示出熔池內(nèi)流體流動的清晰漩渦。而且在每個單獨的熔池區(qū)域內(nèi)，存在著黑暗（316L元素貧乏）和明亮（316L元素豐富）的漩渦，并在其中發(fā)現(xiàn)了兩種不同的微觀結(jié)構(gòu)特征。暗漩渦由細針狀α′馬氏體組成以及內(nèi)部的一些超細孿晶結(jié)構(gòu)，而亮的漩渦由單一的β相組成。這是由于在冷卻時，316L元素貧乏區(qū)發(fā)生β-α′馬氏體轉(zhuǎn)變，而316L元素富集區(qū)作為可轉(zhuǎn)移的β相被保留下來，這就形成了高度分散的β+α′雙相微結(jié)構(gòu)。

 

圖1 Ti64-(4.5%)316L合金的微米尺度濃度調(diào)制及其微觀組織

 

第二個有利影響是亞穩(wěn)態(tài)引起的力學(xué)性能增強。相比于傳統(tǒng)增材制造鈦合金而言，具有微米級成分梯度的鈦合金在拉伸過程中，亞穩(wěn)定β相發(fā)生明顯的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了塑性的增加。在加載時，應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變首先在不太穩(wěn)定的 β 相區(qū)域內(nèi)開始，然后隨著施加的負載增加逐漸傳播到那些較穩(wěn)定的β相區(qū)域，這大大提高了合金的加工硬化能力。合金的高強度也源于α′和亞穩(wěn)態(tài)β雙相精細的微觀組織和高度彌散的混合。超細化的α′馬氏體漩渦分散在β相漩渦之間，并且相鄰漩渦之間的平均漩渦間距約僅為5μm，這為合金提供了高屈服強度。

 

圖2 合金的微觀組織和力學(xué)性能

 

圖3 合金的加工硬化行為及組織演變

 

第三個重要影響是對晶粒細化的作用。其中Ti64-(4.5%)316L合金的平均晶粒尺寸為16±6μm，這是在增材制造Ti合金中實現(xiàn)的最細晶粒結(jié)構(gòu)之一。實際上合金的晶粒尺寸在很大程度上受到其過冷能力的影響，通常由生長限制因子Q值來衡量。高的Q值表示高的過冷度，會形成更多的晶核并限制了現(xiàn)有晶粒的生長，導(dǎo)致了更細的晶粒結(jié)構(gòu)。根據(jù)Thermo-Calc計算并結(jié)合測量的局部成分，計算出來合金的平均生長限制因子Q值為40K，大約是Ti64（Q≈8K）的五倍，因此該合金具有較小的晶粒。

 

圖4 合金的晶粒尺寸

 

綜上所述，研究者展示了一種通過激光-粉床熔融技術(shù)結(jié)合3D打印實現(xiàn)合金設(shè)計的方法，該方法具有精細的濃度調(diào)節(jié)功能，可實現(xiàn)具有優(yōu)異力學(xué)性能的自適應(yīng)微觀組織。這個過程創(chuàng)造了一種具有獨特微觀結(jié)構(gòu)的合金，在保持高強度的同時顯著提高了延展性，并且這些優(yōu)異的性能將會使該合金在航空航天、汽車、化工和醫(yī)療行業(yè)的許多高級應(yīng)用成為可能。該設(shè)計策略也應(yīng)有助于改善其他合金系統(tǒng)的力學(xué)性能，有望被開發(fā)成為一種新型的合金設(shè)計方法，從而進一步實現(xiàn)多種材料的組織與性能之間的可調(diào)控性。

 

 

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