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慧正資訊：金屬增材制造（MAM）正在徹底改變多個行業的生產方式，尤其是航空航天，汽車和生物醫學領域。然而，MAM被進一步廣泛采用還有很多技術問題，其中一個主要障礙是對晶粒結構的控制。晶粒結構控制不好會影響其熱裂性等性能，并且導致各向異性的機械性能，特別是在高性能合金中。當前在工業中使用的合金最初都是針對常規生產工藝設計的，并沒有針對MAM工藝進行優化。需要具有高強度和最佳凝固性能的新型合金，以最大程度地吸收MAM，以此作為高性能部件的競爭性制造途徑。
△3D打印的鈦銅棒，含鈦粉和銅粉。 圖源：皇家墨爾本理工大學
幾十年來，人們已經認識到細小和等軸的晶粒可以減少熱裂的趨勢并改善其性能，例如：通過Hall-Petch關系加強。但是，在MAM中，由于極高的冷卻速度和熱梯度的不平衡凝固，晶粒的主要特征是具有柱狀和織構化的微觀結構。因此，在MAM中形成等軸晶粒是一個巨大的挑戰。盡管在鋁合金的MAM中通過添加晶粒細化劑來獲得細等軸晶粒已取得了進展，但仍然沒有能夠有效細化鈦晶粒微觀結構的商用細化劑。
在皇家墨爾本理工大學（RMIT）增材制造中心Mark Easton教授 和俄亥俄州立大學Hamish L. Fraser教授團隊（共同通訊作者）帶領下，Dong Qiu博士和Duyao Zhang博士與英聯邦科學和工業研究組織（CSIRO）、昆士蘭大學和內華達大學合作，為MAM組件（尤其是輕合金）設計可調諧的微結構。
△RMIT大學先進制造區 實驗中使用的Trumpf 3D打印機。來源：皇家墨爾本理工大學
該項目背后的理論是基于David StJohn教授等人提出的相互依賴理論（Acta Mater.2011，59，4907）。這種鈦銅合金具有較高的組織過冷能力，這是由于凝固過程中合金元素的分配所致，它可以克服激光中高熱梯度的負面影響。打印過程無需任何特殊的工藝控制或其他處理，打印的鈦銅合金試樣具有完全等軸的細晶粒組織。與在類似加工條件下的常規合金相比，它們還顯示出有出色的力學性能，如高屈服強度和均勻的伸長率，這歸因于利用了高冷卻速率和多次熱循環而形成超細共析微結構。
2019年12月5日，南極熊獲悉，相關的研究成果近日發表在《Natrue》雜志上，題目為“Additive manufacturing of ultrafine-grained high-strength titanium alloys”(超細晶粒高強度鈦合金的增材制造)。
△Ti-6Al-4V和Ti-8.5Cu合金的3D打印
△3D打印Ti-Cu合金的機械性能
如文中所述，MAM工藝制造的Ti-Cu合金具有完全細的等軸初生晶粒和共析薄片，并具有出色的機械性能。實驗已經表明，可通過MAM在多個微結構長度尺度上實現可調諧的微結構。提出的新合金設計策略集中于協同控制合金元素的熱力學和MAM的凝固條件。作者也期望他們的合金設計理念可以應用于其他合金系統，并在未來為MAM開發更多高性能的工程合金。
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