隨著增材制造技術的迅速發(fā)展，特別是激光粉末床熔融技術的廣泛應用，科學家們開始關注其中存在的微觀結構問題。在傳統(tǒng)的金屬合金制造過程中，常見的粗柱狀晶粒和異質(zhì)分布相等問題在增材制造過程中變得更加顯著。這些不均勻的微觀結構直接影響了金屬件的機械性能，因此成為了研究的焦點。激光粉末床熔融技術是一種通過逐層堆積金屬粉末并利用激光熔化粉末以構建金屬零件的先進制造技術。然而，在這個過程中，金屬粉末的熔融和凝固過程容易形成非理想的微觀結構，例如粗大的柱狀晶粒和異質(zhì)相的不均勻分布。這些微觀結構缺陷會導致制造出的金屬零件的性能不穩(wěn)定，甚至可能出現(xiàn)強度不足或易碎等問題，因此迫切需要解決。

鑒于此，近日，第一作者Jingqi Zhang和Michael J. Bermingham澳大利亞昆士蘭大學Matthew S. Dargusch教授為通訊作者聯(lián)合在Science頂刊發(fā)題為“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design.”的最新發(fā)現(xiàn)。研究人員展開了針對微觀結構的設計策略。他們認識到添加特定的納米粒子可能有助于調(diào)控凝固過程中的晶粒生長和相變行為，從而改善金屬合金的微觀結構。因此，針對激光粉末床熔融技術中存在的粗柱狀晶粒和異質(zhì)相等問題，研究人員開始探索添加納米粒子的方法。通過在金屬合金中添加鉬（Mo）納米粒子，研究人員希望實現(xiàn)晶粒細化和相變控制，從而提高金屬零件的機械性能。他們通過對模型合金 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 的研究發(fā)現(xiàn)，添加鉬納米粒子確實能夠促進晶粒的細化，并抑制不需要的相的形成，從而使得合金具有更加均勻的微觀結構和優(yōu)異的機械性能。

    為了應對激光粉末床熔融（L-PBF）制造中存在的晶粒結構和組成相不均勻的挑戰(zhàn)，研究者選擇了 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr （Ti-5553）可變型 β 鈦合金作為模型合金進行實驗。在這項研究中，他們觀察到 Ti-5553 合金中存在粗柱狀 β 晶粒和異質(zhì)分布的相的情況，這會導致 L-PBF 制造的產(chǎn)品具有高度不均勻、位置變化的拉伸特性。通過實驗，研究者發(fā)現(xiàn)在 Ti-5553 粉末中添加少量（最多 5.0 wt %）的 β-異構體元素能夠?qū)崿F(xiàn)雙重功能：首先，這些元素部分熔化，在凝固過程中形成細晶粒，從而防止了粗柱狀晶粒的形成；其次，溶解的鉬溶質(zhì)穩(wěn)定了β相，并抑制了固態(tài)熱循環(huán)下等溫ω相和α相的形成。因此，這種雙功能添加劑的引入改變了合金的微觀結構，不僅提高了機械性能的均勻性，還同時增強了強度和延展性。綜合以上內(nèi)容，這項研究表明了一種設計策略，通過控制激光粉末床熔融制造產(chǎn)品中的晶粒結構和組成相，有效地提升了合金的機械性能。通過添加雙功能鉬元素，實現(xiàn)了晶粒細化和相穩(wěn)定，從而為實現(xiàn)均勻和增強的機械性能提供了一條有效途徑。

圖1. L-PBF制備Ti-5553的顯微組織和力學性能。

       為了評估添加 Mo 對 Ti-5553 合金機械性能的影響，該研究通過機械混合的方法在 Ti-5553 中添加了 2.5 wt % 和 5.0 wt % 的 Mo，分別稱為 Ti-5553+2.5Mo 和 Ti-5553+5Mo，并使用改進的鈦合金 L-PBF 加工參數(shù)制備了添加和未添加 Mo 的 Ti-5553 零件�？紤]到零件尺寸和大小對熱歷史的影響，進而影響機械性能，研究者采用了兩種類型的零件幾何形狀（狗骨形和長方體形零件）來評估添加 Mo 對機械性能的影響。實驗結果表明，與未添加 Mo 的 Ti-5553 相比，添加了 Mo 的 Ti-5553+5Mo 的機械性能更強、更均勻，具有更高的屈服強度和更好的拉伸延性。特別是，在狗骨形零件中，Ti-5553+5Mo 的機械性能表現(xiàn)出很高的一致性。通過與 Ti-5553 和化學成分偏差較小的類似合金（Ti-55531 和 Ti-55511）的對比，發(fā)現(xiàn) Ti-5553+5Mo 具有更高和更各向同性的拉伸延性。另外，Ti-5553+5Mo 的屈服強度與 Ti-5553 相當，但延展性明顯更高，且無需后續(xù)熱處理即可獲得優(yōu)秀的強度和延展性平衡。綜合以上結果，通過添加 Mo 元素，Ti-5553+5Mo 合金在 L-PBF 制造過程中表現(xiàn)出了優(yōu)異的機械性能，無需后續(xù)熱處理即可達到較高的強度和延展性平衡，從而在強度-延展性圖譜中突出顯示。

圖2. L-PBF制備的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力學性能

        為了揭示添加 Mo 對晶粒結構的影響，該研究通過電子反向散射衍射 (EBSD) 對 Ti-5553 和添加 Mo 的 Ti-5553 進行了表征（見圖3）。Ti-5553 的微觀結構表現(xiàn)為沿掃描方向的相對較大的晶粒和沿構建方向的粗柱狀β 晶粒，且具有強烈的結晶紋理。然而，添加 5.0 wt % Mo 后，Ti-5553+5Mo 的晶粒結構發(fā)生了顯著變化。Ti-5553+5Mo 表現(xiàn)出沿掃描軌跡邊緣形成大量細小的等軸晶粒和沿構建方向存在細小的等軸晶粒和狹窄的柱狀晶粒。這些晶粒的分布呈現(xiàn)周期性，并且相比 Ti-5553，Ti-5553+5Mo 的柱狀晶粒長度尺度由熔池尺寸決定，結晶紋理變得隨機而微弱。針對 Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的最頂層進行了進一步分析，結果顯示 Ti-5553 的頂層呈現(xiàn)粗柱狀晶粒，而 Ti-5553+5Mo 則以細小的等軸晶粒為主。通過掃描電子顯微鏡 (SEM) -- 后向散射電子 (BSE) 和能散射 X 射線光譜 (EDX) 分析發(fā)現(xiàn)，在 Ti-5553+5Mo 的等軸樹枝狀晶粒的中心存在富含鉬的晶粒種子成核顆粒。這些結果表明，添加 Mo 可以顯著改變 Ti-5553 合金的晶粒結構，形成細小的等軸晶粒和柱狀晶粒，從而改善了合金的微觀結構。綜上所述，這項研究通過微觀結構表征揭示了添加 Mo 對 Ti-5553 合金的晶粒結構產(chǎn)生的顯著影響。

圖3. Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的顯微組織。

       圖4展示了探究富鉬顆粒與鈦基體之間的界面特性，利用SEM-EDX和透射電子顯微鏡(TEM)-EDX線掃描進行了表征。SEM-EDX分析顯示，從鉬顆粒到鈦基體之間存在著濃度的漸變，而TEM-EDX線掃描也證實了這一現(xiàn)象。此外，高分辨率的TEM成像揭示了富鉬顆粒與鈦基體之間具有連貫的界面。SEM和TEM的觀察結果表明，橫跨鉬粒子和鈦基體的過渡區(qū)域在晶粒細化過程中起著重要作用。然而，由于這些表征是在經(jīng)歷了凝固和固態(tài)轉(zhuǎn)變的樣品上進行的，目前還不清楚界面上的過渡區(qū)是在熔池中形成的，還是凝固后固態(tài)擴散的結果。盡管如此，本研究使用了DICTRA（擴散控制轉(zhuǎn)變）進行了擴散模擬，以幫助理解凝固過程中Mo粒子的溶解行為。雖然目前的實驗技術無法完全解釋界面的形成過程，但這些結果為深入理解Mo粒子在凝固過程中的行為提供了有價值的線索。

圖4. Mo 顆粒與鈦基體界面的 TEM 和 DICTRA 模擬。

      研究發(fā)現(xiàn)，除了細化晶粒結構外，鉬的添加還改變了固態(tài)微觀結構中的組成相。盡管一些較大的鉬粉末形成了等軸晶粒，但許多添加的較小顆粒很可能完全溶解在熔池中，因此增加了 Ti-5553 合金中的總體鉬溶質(zhì)濃度，從而影響了相的穩(wěn)定性和微觀結構的演變。通過對 Ti-5553 零件構建方向的相分布進行觀察，發(fā)現(xiàn)α相的分布從零件底部到頂部有明顯的變化，X 射線衍射 (XRD) 進一步證實了α相的存在。在 TEM 選區(qū)電子衍射（SAED）圖中，觀察到了等溫 ω 相的特征，與 Ti-5553 在 523 至 773 K 溫度范圍內(nèi)進行熱處理時等溫 ω 相與 α 相共存的現(xiàn)象一致。差示掃描量熱儀（DSC）測量結果也進一步證實了這些相在此溫度范圍內(nèi)的形成。添加鉬的效果通常是穩(wěn)定 β 相，抑制 α 相的析出。當 Mo 的添加量達到 5.0 wt % 時，XRD 圖譜中α相的強度降低。盡管可能存在其他相，但由于在 XRD 的靈敏度范圍內(nèi)無法檢測到，且這些相對機械性能或均勻性的影響不明顯，因此研究的重點集中在已檢測到的變化上。在構建方向上，Ti-5553+5Mo 顯示出凝固蜂窩狀結構，與 Ti-5553 相反，不呈現(xiàn)針狀 α 相的跡象。SEM-EDX顯示晶胞結構的邊界富含鈦溶質(zhì)，這在添加了 β-異構元素的合金中是一種常見現(xiàn)象。

圖5. Ti-5553 和 Mo 摻雜 Ti-5553 的相分析。

文章的核心創(chuàng)新點是通過添加鉬納米粒子，實現(xiàn)了對激光粉末床熔融制造金屬結構的精細控制，從而改善了合金的晶粒細化和相穩(wěn)定化，提升了機械性能和均勻性。

       研究展示了通過精確控制合金成分和加工參數(shù)，可以實現(xiàn)對金屬結構和性能的精細調(diào)控。針對激光粉末床熔融制造中晶粒粗化和相不均勻性等問題，研究者通過添加鉬納米粒子實現(xiàn)了晶粒細化和相穩(wěn)定化，從而改善了合金的力學性能和均勻性。此研究不僅拓展了對金屬材料制備過程的認識，也為定制金屬結構提供了新的思路�？茖W家們可以進一步探索其他合金系統(tǒng)和添加元素的組合，以優(yōu)化金屬制造過程中的微觀結構和性能，為各種應用領域提供更具競爭力的金屬材料解決方案。