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重慶大學(xué)黃曉旭Nature子刊：增材制造鈦合金取得重要進(jìn)展！

2022-08-25 15:55:01 作者：材料基來源：材料基分享至：

近日，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃曉旭教授團(tuán)隊(duì)與澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授等研究團(tuán)隊(duì)合作，在《Nature Communications》上發(fā)表題為“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”的研究成果，重慶大學(xué)為共同通訊單位，黃曉旭教授為共同通訊作者，材料學(xué)院侯自勇副教授為論文共同作者。

增材制造 (又稱3D打印) 作為一種靈活高效的材料制備手段，為新型合金設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)提供了新機(jī)遇。然而，3D打印所經(jīng)歷的超快速凝固、內(nèi)稟熱循環(huán)等，容易導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)組織及成分的差異，進(jìn)而造成材料整體性能的不均勻。針對上述問題，人們常常通過調(diào)控打印參數(shù)或者添加細(xì)化劑，可以有效消除諸如缺陷和柱狀晶等，但對于打印過程中因熱循環(huán)而造成的相(組織)成分差異一直未能解決。

為此，研究團(tuán)隊(duì)以典型鈦合金Ti-6Al-4V為研究對象，從合金設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算，通過添加適量CP?Ti和Fe2O3，以稀釋擴(kuò)散速率較慢的V、引入擴(kuò)散速率較快的Fe，調(diào)控打印過程中相變發(fā)生的臨界條件和速度，打印材料在各階段均能獲得成分均勻的相(組織)，消除了性能不均勻性。此外，該研究以合金設(shè)計(jì)指導(dǎo)3D打印，拓展了3D打印制備性能均勻合金的廣度，為制備具有均勻性能的未知結(jié)構(gòu)合金提供了新的解決思路和方案。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32446-2

圖 1：Ti-6Al-4V 和通過激光功率床融合 (L-PBF) 制造的新開發(fā)合金 (25Ti-0.25O) 的顯微組織和拉伸性能比較。

圖 2：原料制備和表征。

圖 3：L-PBF 制造的新開發(fā)合金的機(jī)械性能。

圖 4：新開發(fā)合金的原子探針斷層掃描 (APT) 表征。

在這項(xiàng)工作中，我們設(shè)計(jì)并增材制造了一系列鈦合金，這些鈦合金具有出色的拉伸性能，沒有明顯的機(jī)械不均勻性。我們已經(jīng)表明，鈦合金中典型的和不希望的相不均勻性與增材制造固有的熱循環(huán)有關(guān)，可以通過合理的合金設(shè)計(jì)來消除。我們預(yù)計(jì)新開發(fā)的鈦合金可以成為需要具有均勻機(jī)械性能的鈦合金應(yīng)用的候選材料。這需要對其他機(jī)械性能（如疲勞性能和抗蠕變性）和耐腐蝕性。此外，與以前主要關(guān)注晶粒細(xì)化（通過合金設(shè)計(jì)）和/或缺陷控制（通過工藝優(yōu)化）的研究不同，我們的工作表明，解決相異質(zhì)性對于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)同樣重要，甚至更重要。我們相信我們的設(shè)計(jì)策略可能有助于其他金屬材料的開發(fā)。專門用于增材制造的合金，具有均勻的機(jī)械性能。

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