增材制造顶刊《AM》：激光3D打印高强高韧Ti合金！

来源：材料科学与工程

导读：增材制造Ti合金具有复杂的三维结构，兼具优异的比强度和抗腐蚀性能，应用于航空航天和骨科移植。最具代表性的是激光粉床熔融(L-PBF)制造的Ti6Al4V合金，然而激光打印过程中的激冷激热，引入针状脆性马氏体，危害部件的断裂韧性和疲劳强度。本文报道了在激光粉床熔融过程中，采用混合粉末和激光参数控制，调控微观结构，打印兼具高强度和高塑性的双相Ti-6Al-4V-3Fe合金，为增材制造性能优异的金属材料提供启示。

1. 研究背景
激光增材制造的Ti合金，具有比传统铸造或者压力加工更为优异的力学性能，最具代表性的是具有良好焊接性能的Ti6Al4V，广泛应用于L-PBF过程。而激光熔化和凝固过程中的激冷和激热（104‒106oC/s），再加上逐层打印过程中的热循环，会引入层级状的针状马氏体（α’-Ti）分布在柱状母相（β-Ti）中，这种各向异性的微观结构，伴随着较差的延展性、疲劳强度和断裂强度，成为增材制造Ti合金亟需解决的问题。研究表明，采用混合的粉末，比如在Ti粉中混入β相稳定元素的粉末，通过激光打印过程中的原位合金化，可以得到高延展性的β-Ti相，改善材料的强度和韧性。然而激光参数和原位合金化的内在关联，以及打印参数对微观结构和力学性能的影响依然未知。

近日，瑞士保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute）Helena Moens-Van Swygenhoven教授联合英国诺丁汉大学的Marco Simonelli教授、邹志祎研究员和拉夫堡大学的Yau Yau Tse教授课题组报道了在激光粉床熔融制造中采用混合粉末（Ti64+Fe），通过控制激光参数，来调控β和α’相比例制造高强高韧双相Ti-6Al-4V-3Fe合金。相关论文以题为“Microstructural engineering of a dual-phase Ti-Al-V-Fe alloy via in situ alloying during laser powder bed fusion”发表在Additive Manufacturing上。陈铭研究员为第一作者，课题组组长Steven Van Petegem为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103173

2. 微观结构调控
该团队使用Ti64和单质Fe（3wt%）的混合粉末（图1）打印发现，激光能量密度的高低对微观结构和元素分布会产生深远的影响。较低的单位体积能量（VED）输入，能够在样品S1中得到更多的β相（~80%）（图2），而在高能量密度打印的样品S2中β相显著降低，同时Fe元素分布的更为均匀。以β相为主的低能量密度打印的样品S4在拉伸实验中，展现了比增材制造的Ti64合金更高的强度和更好的塑性（图3），虽然比以α’相为主的高能量密度打印的样品S5强度低，但是综合力学性能更为优越。Fe元素的原位合金化既引入了延展性良好的β相和ω硬化相，同时也起到了合金强化的作用。此外，β相会在应力作用下诱发马氏体相变（β→α’），也就是TRIP（transformation induced plasticity）效应，有效提升塑性。

图1. 激光粉床熔融(L-PBF)中的Ti64和Fe的混合粉末。

图2.激光能量密度对微观结构和元素分布的影响：低能量（S1）和高能量（S2）。

图3. 采用不同能量密度打印的样品力学性能。

3. 原位高速X射线衍射（XRD）表征

提高激光打印的能量密度，会促进熔池中的搅拌（Marangoni flow），也会延长材料在高温区间停留的时间，有利于合金元素扩散，进而促进合金化，最终影响微观结构和各相的比例。为了分析激光参数和微观结构的内在联系，采用了基于同步辐射的高速X射线衍射技术，对增材制造过程进行了原位表征。在低能量密度打印的样品S1中，β相在冷却过程中可以稳定到常温，但是在能量密度较高的S2和S3中会发生相变（β→α’）如图4。通过晶格膨胀系数和衍射峰的角度，对打印过程中温度和冷却速率的估算，显示样品S1在高温停留的时间更短，冷却速率更快（图5）。低能量密度打印的样品（S1和S4），熔池搅拌较弱，扩散作用较小，Fe分布的更不均匀，作为β相稳定元素，局部的Fe富集更有利于稳定β相。

图4. 激光能量对打印中相变过程的影响：S1到S3能量密度逐步升高。

图5. 激光能量对于打印过程温度和冷却速率的影响。

4. 金属增材制造启示
近年来增材制造技术飞速发展，3D打印Ti合金在航空航天和生物移植等领域极具前景，本文报道了通过简单的改变激光参数，有效调控增材制造Ti合金的微观结构，以达到不同的力学性能，为直接打印具有功能性的梯度结构金属材料指明了道路。采用混合粉末为设计新的合金成分提供了极大的自由度，这种方法省略了制备预合金粉末的工序，有效降低了金属增材制造的成本，加速了增材制造技术的推广和应用。（文：双雄）

推荐背景阅读：
（1）M. Simonelli, D.G. McCartney, P. Barriobero-Vila, N.T. Aboulkhair, Y.Y. Tse, A. Clare, R. Hague, The influence of iron in minimizing the microstructural anisotropy of Ti-6Al-4V produced by laser powder-bed fusion, Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 51 (2020) 2444–2459.

（2）S. Hocine, H. Van Swygenhoven, S. Van Petegem, C.S.T. Chang, T. Maimaitiyili, G. Tinti, D. Ferreira Sanchez, D. Grolimund, N. Casati, Operando X-ray diffraction during laser 3D printing, Mater. Today 34 (2020) 30–40.

（3）S. Hocine, S. Van Petegem, U. Frommherz, G. Tinti, N. Casati, D. Grolimund, H. Van Swygenhoven, A miniaturized selective laser melting device for operando X-ray diffraction studies, Addit. Manuf. 34 (2020), 101194.

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。