增材制造（又通俗地称为3D打印）是根据三维模型将材料逐层堆积从而制造出实体构件的先进制造技术。然而，3D打印这种逐层叠加的特点，通常会致使已经熔覆的金属材料经历反复的热循环过程。后者在打印过程作为一种“原位热处理”，造成制造出的构件具有自上而下的显微组织与性能的不均匀性，从而可能导致部件在服役过程出现难以预测的失效。因此，3D打印的内禀热循环特点，对制造具有均匀性能的金属构件提出了严峻挑战。

为解决上述问题，澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队与南京理工大学沙刚教授、重庆大学黄晓旭教授、丹麦科技大学Jesper Henri Hattel教授等团队合作，提出了一种合金设计思路以消除3D打印钛合金中组成相和力学性能的不均匀性。合金设计的关键是将Ti−6Al−4V与纯钛（CP−Ti）以及氧化铁（Fe₂O₃）原位合金化。通过添加CP−Ti稀释Ti−6Al−4V中扩散速率较慢的V，与此同时通过添加Fe₂O₃引入扩散速率较快的Fe，从而获得自上而下的均匀组织。另外，添加的Fe₂O₃为钛基体提供了O，从而弥补了由于CP−Ti稀释合金元素造成的强度下降。与Ti−6Al−4V相比，新开发的钛合金具有更加均匀且突出的力学性能。需要指出的是，本研究选用Fe₂O₃作为微量添加物以及采用不同添加比例的CP−Ti（25 wt %、50 wt %和75 wt %）和Fe₂O₃（0.25 wt % 和 0.50 wt %）是为了展现合金设计思路。根据这一设计思路，通过寻找Fe₂O₃的替代品，或者通过调控两种添加物的比例，能够实现强度−塑性的柔性调控，从而可以满足不同应用场合的需求。

相关工作以“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”为题，发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。该研究工作由国内外多所高校合作完成，其中昆士兰大学张敬奇博士和刘印刚博士为共同第一作者，昆士兰大学张明星教授、重庆大学黄晓旭教授和南京理工大学沙刚教授为共同通讯作者。其他作者还包括南京理工大学靳慎豹博士、重庆大学侯自勇副教授、昆士兰大学杨楠博士、谭启玚博士、尹宇博士、刘师洋博士、Matthew Dargusch教授、丹麦科技大学Mohamad Bayat助理教授和Jesper Henri Hattel教授。

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在3D打印金属材料中，造成显微组织和力学性能不均匀性的因素有很多。以往的研究主要集中在消除打印缺陷和柱状晶方面。针对这两个因素，通过打印参数优化或者添加细化剂促进晶粒细化可以有效消除，其核心策略是调控材料的凝固过程。然而对于可热处理金属材料，在3D打印过程不仅经历快速凝固时的液固转变，还会在热循环作用下发生固态相变。3D打印过程固有的热循环通常会对材料进行原位热处理，从而引起显微组织在空间上的不均匀分布。尽管这种组织特点在不同的合金体系（比如钛合金、铝合金、钴合金、镁合金、镍基高温合金、马氏体钢以及高熵合金）中均有报道，但目前尚未有效解决。

Ti−6Al−4V合金是钛工业中的主力军，也是3D打印技术应用最为广泛的合金之一。然而采用激光粉末床熔融（L-PBF）制造出的Ti−6Al−4V构件具有明显的显微组织不均匀性：顶端由于快速冷却或者经历热循环次数较少，显微组织主要为马氏体（α′）；而下端由于经历大量的热循环，马氏体经过原位热处理半分解或者全部分解为(α + β)片层组织。这种显微组织的差异造成自上而下的塑性明显不同。从合金元素角度来看，马氏体分解与Ti−6Al−4V中元素的配分速率有关。

针对这一问题，本研究根据钛合金中合金元素扩散规律，选用CP−Ti和Fe₂O₃作为Ti−6Al−4V的添加物，通过调控3D打印过程中材料的固态相变，从而获得均匀的(α + β)片层组织。与以往通过消除3D打印组织中的柱状晶来降低材料各向异性的策略不同，本研究通过消除组成相的不均匀性以获得更加均匀的力学性能，同时也表明消除3D打印组织中组成相的不均匀性与细化柱状晶对于获得均匀力学性能同等重要。由于在3D打印金属材料中热循环导致组成相不均匀分布的现象普遍存在，我们预计本工作展现的合金设计思路能够为开发具有均匀力学性能的其他合金提供参考。

图1 Ti−6Al−4V和新开发钛合金的显微组织和力学性能的对比。

图2 3D打印粉末的制备与表征

图3新开发钛合金与采用不同3D打印技术制造的Ti−6Al−4V的力学性能比较

图4新开发钛合金的APT元素表征

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。