Nature Materials：3D打印钛合金又一重量级成果，有望实现产业化升级

一、导读

许多制造业的最终目标是迅速生产出又强又轻的复杂形状金属部件。增材制造(AM)是一种可以实现设计自由的技术，几乎可以制造任何几何零件。因此，AM正在引领多个行业的金属制造新时代，包括航空航天、汽车、生物医学和能源部门。但是大多数由AM制造的商用钛合金在许多结构应用中没有令人满意的性能，特别是在室温和高温下的承重条件下的强度不足。低能量纳米孪晶界(TBs)能有效地阻碍和传递位错，提供优异的强度和良好的塑性。一般来说，在金属中创建完全纳米孪晶结构是一项挑战，需要复杂的方法，如电沉积、溅射或严重的塑性变形等。即使这样，含有大量纳米孪晶组分的尺寸、形状和热稳定性通常都是有限的。本工作证明了钛合金可以利用AM固有的热循环和快速冷却来实现独特的纳米沉淀微观结构，。沉淀物本身是纳米孪晶，平均孪晶厚度小于10nm。致密的纳米孪晶沉淀具有前所未有的强度并保持良好的延展性。

二、成果掠影

最近，来自澳大利亚蒙纳士大学增材制造中心的黄爱军教授、朱玉满高级研究员联合上海理工大学、中科院金属所、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学的相关知名学者，揭示了增材制造可以利用热循环和快速凝固来创造可能直接用于服役的超强和热稳定的钛合金。以一种商用钛合金为例，经过简单的热处理后，其延伸率和抗拉强度均超过了1600 MPa。这种优异的性能是由于形成了在传统加工的钛合金中罕见地致密、稳定的内部纳米孪晶沉淀物。这些纳米孪晶沉淀物来源于具有螺旋特征的高密度位错，在增材制造过程中自动形成。该工作为制造具有独特微结构和优异性能的结构材料提供了广阔的应用前景。相关成果以“Ultrastrong nanotwinned titanium alloys through additive manufacturing”为题发表在国际材料顶级期刊Nature Materials期刊上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01359-2

三、核心创新点

(1)发明通过增材制造过程中的循环热以及快速冷却制备纳米孪晶钛合金；

(2)纳米孪晶钛合金具有非常优异的力学性能，可直接实现工程化应用；

1. 为何热处理时析出纳米孪晶α相？是否与打印态材料的微观组织有关？

是的，这是由于3D打印特有的快速凝固带来的应变场，使得原始打印态有高密度的位错，这些晶格缺陷是纳米孪晶alpha相析出的主要原因之一 

2. 530℃热处理的材料中纳米孪晶α相尺寸以及比例有何变化？与热处理温度有何关系？

温度越高，则析出相尺寸越大，同时理论上说析出相比例会减小，但是这个需要很长时间处理（达到平衡态）

3. 材料在宏观尺度上是否会因为打印过程热循环的存在导致空间上的组织不均匀性？是否会导致后续热处理中纳米孪晶α相只在部分区域析出？

理论上不会，3D打印的一个巨大优势就是宏观组织的均匀性（初始打印的几层及最后一层除外，织构也除外）-他们是一个个的微小等同熔池堆积而成，由于这个析出主要由于晶格缺陷，这样的晶格缺陷是相对均匀的。

4. 钛合金作为一种与钢有相当力学性能的合金，未来其可以部分或完全替代钢吗？相比之下有哪些优缺点值得注意？

在某些领域高强钛合金已经或者正在取代钢，比如飞机起落架用材，高强钛合金主要优点是比强度高（轻质），抗环境腐蚀，而同等强度的钢的优点是成本低，刚度好- 根据各自的优点结合服役环境来选择材料吧

5. 该文章提出的方法是否可以打印高温钛合金？

不太适用高温钛合金，一般高温钛合金是近alpha合金，其打印态一般是马氏体而不是亚稳beta相，这样这种析出强化就无法实现 

四 数据概览

图1 通过LPBF（激光粉末床熔合）制备及热处理后的商用β - C钛合金拉伸的力学响应；a，在480°C/6 h和520°C/3 h下，3D打印样品和热处理后样品的工程应力-应变曲线。b, LPBF β-C合金热处理后比强度与均匀伸长率(UE)的相关性，并与AM制备的其他高强度钛合金、钢、铝和镍基高温合金进行比较。

图2 LPBF成型及热处理后β - c钛合金的显微组织；a, BF TEM图像显示了微观组织中密集的位错。该图像在{10}<110>_β双束条件下拍摄。 b, XRD谱证实了在制备和热处理时微观组织中存在的相。c, HAADF-STEM图像显示热处理组织中密集的α-沉淀(480°c /6 h)。图中黄色虚线为β基质中缺少典型的GB α相的GB的迹线。电子束平行于<100>_β晶带轴。

图3 热处理(480℃/6 h)后，纳米孪晶α-在LPBF组织中析出。a - c, BF-STEM图像显示α-析出相中存在沿着三个方向的高密度片层。观察方向平行于<111>β或{110}α; d.自局部区域的原子尺度HAADF -STEM图像显示三个α-变体具有{101}α-孪晶关系。TBs用黄色虚线表示，而每粒中的基面用白线表示。孪晶的某些边缘和{103}α TB用红色虚线表示。e，表示β-相和{101}α α-孪晶变体之间的Burgers OR的示意图(用它们的晶胞表示)。透射束方向为<111>β或{110}α。f，原子分辨率HAADF-STEM图像显示{101}α TB中的溶质周期性偏析。图像中的每个亮点表示一个富含Mo/ Zr的原子柱。插图中的原子柱强度分布图显示了TB上两个相邻亮点(5.5 Å)与亮点及其左侧相对暗点(2.5 Å)之间的距离。

图4螺旋位错周围纳米孪晶沉淀的MD模拟；a, 1 / 2 <111>β型螺位错排列在纯β模拟单元中。b，当三维拉伸应力在600 K作在单元胞时，在位错线的不同位置观察到三个α-析出相变体从三个{10}β平面成核。c - e，随着加热时间分别为37.5 ps (c)、52.5 ps (d)和67.5 ps (e)， α-析出相逐渐生长。三种α-析出相分别以黄色、红色和蓝色表示。

五、成果启迪

在纯金属中获得致密的纳米孪晶可以获得非常高的强度和足够的延展性，但这种孪晶纳米沉淀在任何合金中都没有报道过。本文的工作揭示了AM固有的热循环和快速凝固可以用来操纵独特的析出组织以获得优异的力学性能。这已经在一种商用钛合金中实现，可以对工业应用产生直接影响。这项工作的发现有望为物理冶金领域的强化和位错工程原理提供根本性的见解。