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研究背景
随着3D打印技术的飞速发展，激光粉末床熔融技术成为金属结构制造领域的一项重要技术。然而，这项技术随之而来的微观结构问题成为了科学家们关注的焦点。在传统的金属合金中，粗柱状晶粒和异质分布相的形成通常是由于凝固过程中的不理想因素引起的，这导致了金属微观组织的不均匀性和机械性能的下降。因此，解决这一问题成为了当今金属制造领域中的一个紧迫任务。特别是在激光粉末床熔融技术中，研究者们面临着挑战，即如何通过微观结构的设计策略来提高金属材料的性能。在这个背景下，针对3D打印生产的金属合金，研究者们开始探索新的方法，以解决粗柱状晶粒和异质相分布不均带来的机械性能问题。鉴于此，近日澳大利亚昆士兰大学Matthew S. Dargusch教授团队提出了一种创新的设计策略，即在普通铝合金中添加钼纳米粒子。这一设计策略的目标是在激光粉末床熔融技术中获得一致且增强的性能，从而克服传统金属合金中不理想的微观结构。通过将Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金作为模型合金，研究者们成功展示了通过添加钼纳米粒子可以促进晶粒的细化，同时抑制相异构的形成。这种双功能添加剂带来的微观结构变化使得金属合金具有更均匀的机械性能，同时提高了强度和延展性。这一研究为金属制造领域的发展提供了新的思路和方向。
研究内容
本研究通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术制造 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）可变型 β 钛合金产品，面对该合金存在的晶粒结构和相组成不均匀性的挑战，提出了一种设计策略。作者选择 Ti-5553 合金作为模型，该合金在L-PBF制造过程中显示出粗柱状 β 晶粒和相的异质分布。首先，图1A至C展示了 Ti-5553 合金的微观结构，强调了合金中存在的晶粒和相的不均匀性。这种不均匀性导致了 L-PBF 制造的产品在不同位置具有高度变化的拉伸特性，如图1D和E所示，与其他研究在不同3D打印技术中的结果一致。为了解决这一挑战，研究者在 Ti-5553 粉末中单次添加了最多5.0 wt % 的β-异构体元素，形成复合结构。该设计策略具有双重功能：首先，一部分钼颗粒在3D打印过程中部分熔化，但其核心部分存活下来并在凝固过程中形成细晶粒，有效防止粗柱状晶粒的形成。其次，溶解的钼溶质稳定了β相，并抑制了固态热循环下等温ω相和α相的形成。因此，通过引入双功能钼，合金的微观结构发生了变化，不仅提高了机械性能的均匀性，同时也增强了强度和延展性。 图1. L-PBF制备Ti-5553的显微组织和力学性能。为了应对激光粉末床熔融（L-PBF）制造中 Ti-5553 合金存在的机械性能不均匀的问题，本研究采用了机械混合的方法，分别在 Ti-5553 中添加了 2.5 wt % 和 5.0 wt % 的 Mo，分别称为 Ti-5553+2.5Mo 和 Ti-5553+5Mo。通过改进的钛合金 L-PBF 加工参数制备了添加和未添加 Mo 的 Ti-5553 零件，并采用两种不同几何形状的零件（狗骨形和长方体形零件）来评估添加 Mo 对机械性能的影响。结果显示，Ti-5553+5Mo相比Ti-5553表现出更强、更均匀的机械性能，特别是在拉伸工程应力-应变曲线方面（图 2A）。Ti-5553的性能较差，整个部件的性能变化较大，而Ti-5553+5Mo则表现出更高的一致性和强度。无论零件的几何形状如何变化，狗骨形零件中Ti-5553+5Mo的机械性比较好。为了评估拉伸延性的各向异性程度，研究者将 Ti-5553+5Mo 的拉伸延性数据与 Ti-5553 和与 Ti-5553 化学成分较为相近的类似合金进行比较（图 2B）。Ti-5553+5Mo显示出更高和更各向同性的延展性，与 Ti-5553 和其他合金相比，其拉伸延性表现更为出色。进一步比较了 Ti-5553+5Mo 与 Ti-5553、Ti-55531 和 Ti-55511 的屈服强度和断裂伸长率（图 2C）。相较于原位制造状态下的 Ti-5553 及其类似合金，Ti-5553+5Mo 的屈服强度相当，但延展性显著更高。与需要进行后续热处理的 Ti-5553 相比，Ti-5553+5Mo 无需额外热处理即可在 L-PBF 中显示出优异的强度和延展性平衡。 图2. L-PBF制备的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力学性能。为了揭示添加 Mo 对 Ti-5553 合金晶粒结构的影响，研究者采用EBSD 表征方法对 Ti-5553 和掺 Mo 的 Ti-5553（Ti-5553+5Mo）进行了详细研究。首先，Ti-5553 合金的微观结构展示了沿扫描方向的相对较大的晶粒和沿构建方向的粗柱状 β 晶粒。而在 Ti-5553+5Mo 合金中，通过机械混合方法添加了 5.0 wt % 的 Mo 后，微观结构发生显著变化。Ti-5553+5Mo 合金的微观结构表现为沿扫描轨迹边缘形成了大量细小的等轴晶粒和沿构建方向存在细小的等轴晶粒和狭窄的柱状晶粒，呈周期性分布。与 Ti-5553 相比，Ti-5553+5Mo 的柱状晶粒长度尺度由熔池尺寸决定，结晶组织变得随机而微弱。研究者特别关注 Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的最顶层，该层经历的热循环相对较弱。对 Ti-5553 最顶层的微观结构表明粗柱状晶粒的存在，而 Ti-5553+5Mo 的最顶层主要以细小的等轴晶粒为主。通过背散射电子对 Ti-5553+5Mo 的进一步表征，发现在等轴树枝状晶粒的中心存在一些颗粒并富含钼，并通过能散射 X 射线光谱证实了这一点。该研究清晰揭示了添加 Mo 对 Ti-5553 合金晶粒结构的显著影响。通过机械混合添加 Mo，实现了晶粒结构的细化和结晶纹理的减弱，为 Ti-5553+5Mo 合金的优异机械性能提供了微观结构上的解释（图见3）。 图3. Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的显微组织。为了深入研究富钼颗粒，研究者进行了SEM-EDX和透射电子显微镜 (TEM) -EDX线扫描，并在图 4A 中展示了结果。SEM-EDX浓度分布图显示了从钼颗粒到钛基体的渐变，而TEM-EDX线扫描也进一步证实了这一渐变的存在（图 4B）。高分辨率的TEM成像展示了富钼颗粒与钛基体之间的完全吻合，呈现出连贯的界面（图 4C）。SEM和TEM的观察结果表明，跨越钼粒子和钛基体的过渡区域在晶粒细化过程中发挥着关键作用。由于这些表征是在激光粉末床熔融（L-PBF）过程中样品经历了凝固和固态转变时进行的，目前尚不清楚过渡区是在熔池中形成的，还是在凝固后通过固态扩散形成的。尽管目前的实验技术还无法准确描述这一过程，但这些结果强调了过渡区域在晶粒细化中的重要性。为了更好地理解凝固过程中 Mo 粒子的溶解，研究者使用了 DICTRA（扩散控制转变）进行扩散模拟，并在图 4D 中呈现了结果。这些模拟提供了关于 Mo 粒子在凝固过程中的溶解行为的有益信息，有助于解释 Ti-5553+5Mo 合金中富钼颗粒的形成机制。以上结果深入研究了 Ti-5553+5Mo 合金中富钼颗粒与钛基体之间的界面，揭示了其渐变结构和连贯界面，为了解添加 Mo 在晶粒细化中的作用提供了重要的实验观察和模拟结果。 图4. Mo 颗粒与钛基体界面的 TEM 和 DICTRA 模拟。本研究展示了钼的添加不仅细化了晶粒结构，还改变了固态微观结构中的组成相。SEM-EDX和TEM-EDX线扫描结果表明，钼的加入导致了钛基体中总体钼溶质浓度的增加，从而影响了相的稳定性和微观结构的演变。图5A和C展示了沿Ti-5553零件构建方向的相分布，表明α相的分布从零件底部到顶部有明显的变化，并且X射线衍射(XRD)证实了α相的存在（图5B）。此外，TEM选区电子衍射(SAED)图中出现了等温ω相的特征，与DSC测量结果相符，这些相在523至773 K温度范围内形成。钼的加入稳定了β相，并抑制了α相的析出，XRD图谱中α相的强度随Mo添加量的增加而降低（图5B）。然而，Ti-5553+5Mo沿构建方向呈现凝固蜂窝状结构，无针状α相的迹象（图5D和E）。进一步的SEM-EDX显示，晶胞结构的边界富含钛溶质，这种现象通常与Ti合金化过程中β-异构元素的存在有关（图5E）。该研究的发现与在L-PBF生产的其他高溶质含量合金中观察到的蜂窝状结构一致，这通常与凝固过程中溶质的微聚集有关。综上所述，钼的添加影响了Ti-5553合金的相分布和微观结构演变，导致了凝固蜂窝状结构的形成。 图5. Ti-5553 和 Mo 掺杂 Ti-5553 的相分析。
总结展望
本研究通过在 Ti-5553 合金中添加钼，成功地实现了对激光粉末床熔融（L-PBF）制造过程中晶粒结构和相组成的精确控制。在普通铝合金中常见的粗柱状晶粒和异质相分布问题得到解决，通过添加 Mo 纳米粒子促进了对称晶粒的生长，同时抑制了其他相的形成。通过这一设计策略，制得的样品表现出更优异的机械性能，展示了个性化定制金属结构的前景。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
