劉錦川院士又發《Science》！另辟蹊徑，實現3D打印超級鈦合金
時間：2021-10-22 10:56 來源：材料學與工程 作者：admin 閱讀：次
日前，香港城市大學劉錦川院士團隊在”利用增材制造設計成分調制鈦合金“方面取得重大進展，以“In situ design of advanced
titanium alloy with concentration modulations by additive
manufacturing”為題，在國際頂尖期刊《Science》上發表重磅研究論文。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770
值得一提的是，今年9月17日來自美國加州大學伯克利分校、北京航空航天大學等單位的研究者在鈦合金領域也取得重要進展，在純Ti中通過低溫力學過程，構建多層次納米孿晶結構，顯著提高了其抗拉強度和延展性。純鈦達到了接近2GPa的極限拉伸強度和77K下接近100%的真實失效應變，這篇文章登上了同期《Science》的封面。（登頂《Science》正刊封面！2GPa超高強度塑性納米孿晶鈦）
3D打印，也稱為增材制造，往往被看做是一種單純的直接成型技術。然而很少有人會想到，3D打印過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設計中同樣可以發揮意想不到的優勢。
在此，來自香港城市大學的張天隆博士在國際著名材料科學家劉錦川院士的指導下，創造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調控熔池中不同粉末的混合程度，設計出一種前所未見的微米級成分梯度結構，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優異的力學性能。
通常而言金屬材料中的成分不均勻性往往被看做材料內部的重大缺陷，是研究人員一直所努力避免的。然而，材料的成分不均勻性卻很少被積極地利用起來作為有效的合金設計方法。一方面，這是由于人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠的認識；另一方面，也是因為傳統的鑄造、鍛造等方法往往無法對材料內部的成分波動實現人為有效的調控。
增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，為研究人員提供了這樣一種有效調控成分波動的手段。基于這種全新的思路，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（Ti64和316L不銹鋼）進行混合打印。通過精心選擇的粉末種類，以及特殊的打印參數，在Ti-6Al-4V基礎合金中，成功實現了以Fe元素為主的微米級成分梯度。研究表明，打印完成狀態的合金并不是兩種原始合金的簡單混合，也即合金中并不存在純粹的Ti64合金或者316不銹鋼區域。與此相反，在兩種粉末的融化、混合過程中，所有合金元素都進行了有效的擴散和融合。不銹鋼中的Fe、Cr、Ni、Mo等元素完全溶解在Ti64合金基體中，實現了原位合金化。更重要的是，經過特殊選擇的打印參數可以有效控制Fe、Cr等元素的濃度梯度和空間分布。這是一種前所未有的成分梯度組織。
這種微米級成分梯度帶來了三個有利影響。其一，合金元素濃度在空間上的調制帶來了相穩定性以及微觀組織在空間上的調制，從而形成了α’馬氏體和亞穩定β母相在三維空間中的周期性分布，并形成了熔巖狀的獨特微觀組織。其二，微米尺度上彌散且周期性分布的馬氏體-亞穩態母相的特殊雙相組織有效地提高了鈦合金的力學性能。相比于傳統增材制造鈦合金而言，具有微米級成分梯度的鈦合金一方面在拉伸過程中，亞穩定β相發生明顯的應力誘發馬氏體行為和相變誘導塑性，從而極大地改善了增材制造鈦合金的均勻變形和加工硬化能力，均勻延伸率提高了一倍以上；另一方面，高度彌散分布的超細馬氏體組織有效地維持了材料的高屈服強度（~1GPa），避免了傳統TRIP鈦合金低屈服強度情況的出現；其三，Fe、Cr等元素的添加對于增材制造鈦合金的晶粒細化起到了明顯的作用。這些合金化元素可以有效提升鈦合金凝固過程中的成分過冷能力，阻止了常規粗大柱狀晶的形成。因此打印態的TI64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸只有約16微米，是目前所有增材制造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一，
綜上所述，研究者創造性地將成分調制的概念和3D打印結合起來，另辟蹊徑地設計出具有微米級成分梯度結構的合金設計策略。本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性變廢為寶，成功用來設計成分非均勻的高性能合金材料，更是極大地開拓了增材制造技術的想象空間，使得這項技術不僅僅被用作復雜構件的成型技術，更可以被開發為一種全新的合金設計和制造方法，從而有力地推動增材制造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。
劉錦川院士：現任香港城市大學杰出教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，美國橡樹嶺國家研究院資深院士，美國橡樹嶺國家實驗室金屬與陶瓷部合金行為與設計組前組長。劉錦川院士主要從事材料科學與工程和先進金屬材料的研究工作，在金屬間化合物、高熵合金、貴金屬合金設計、大塊金屬玻璃材料、鈦合金和增材制造等領域均做出了開創性的貢獻, 是國際材料界具有重要影響的杰出科學家。先后榮獲美國能源部（US-DOE）能源技術重大影響獎，美國能源部勞倫斯獎（美國總統獎），中國政府友誼獎以及中國國際科學技術合作獎等重大獎項。1995年被評為全球材料科學與冶金學術期刊被引用最多的前五位作者之一。2003年，被國際科學資訊（ISI）評為材料科學領域世界高引用科學家，并當選世界科技聯席組織院士會員。近三十余年來，劉錦川院士一直致力于加強中美的學術交流與技術合作，特別是推進在高溫結構材料、高熵合金、塊狀非晶及高性能鈦合金設計與制造等尖端領域的科學研究，為中國科學家在相關課題與領域的研究迅速進入國際先進水平做出了突出貢獻。
張天隆博士：現任職于香港高等研究院(HKIAS)。2015年獲西安交通大學理學學士學位，2021年獲香港城市大學哲學博士學位。師從國際著名材料科學家劉錦川院士和王云志教授。張天隆博士近年來從事先進鈦基合金的成分和結構設計，并在材料計算模擬-實驗表征等交叉學科領域具有廣泛的研究興趣。主要研究方向包括基于增材制造(3D打印)的先進高性能合金設計；金屬材料微觀組織演化和相變路徑的實驗表征-相場動力學研究；以及亞穩態合金的力學響應和相變行為等。已在Science,
Acta Materialia和Scripta Materialia等國際權威學術期刊上發表研究論文15篇以上，并申請2項相關專利和軟件著作權，同時先后擔任多個國際期刊與雜志的審稿人。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770
值得一提的是，今年9月17日來自美國加州大學伯克利分校、北京航空航天大學等單位的研究者在鈦合金領域也取得重要進展，在純Ti中通過低溫力學過程，構建多層次納米孿晶結構，顯著提高了其抗拉強度和延展性。純鈦達到了接近2GPa的極限拉伸強度和77K下接近100%的真實失效應變，這篇文章登上了同期《Science》的封面。（登頂《Science》正刊封面！2GPa超高強度塑性納米孿晶鈦）
3D打印，也稱為增材制造，往往被看做是一種單純的直接成型技術。然而很少有人會想到，3D打印過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設計中同樣可以發揮意想不到的優勢。
在此，來自香港城市大學的張天隆博士在國際著名材料科學家劉錦川院士的指導下，創造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調控熔池中不同粉末的混合程度，設計出一種前所未見的微米級成分梯度結構，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優異的力學性能。
通常而言金屬材料中的成分不均勻性往往被看做材料內部的重大缺陷，是研究人員一直所努力避免的。然而，材料的成分不均勻性卻很少被積極地利用起來作為有效的合金設計方法。一方面，這是由于人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠的認識；另一方面，也是因為傳統的鑄造、鍛造等方法往往無法對材料內部的成分波動實現人為有效的調控。
增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，為研究人員提供了這樣一種有效調控成分波動的手段。基于這種全新的思路，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（Ti64和316L不銹鋼）進行混合打印。通過精心選擇的粉末種類，以及特殊的打印參數，在Ti-6Al-4V基礎合金中，成功實現了以Fe元素為主的微米級成分梯度。研究表明，打印完成狀態的合金并不是兩種原始合金的簡單混合，也即合金中并不存在純粹的Ti64合金或者316不銹鋼區域。與此相反，在兩種粉末的融化、混合過程中，所有合金元素都進行了有效的擴散和融合。不銹鋼中的Fe、Cr、Ni、Mo等元素完全溶解在Ti64合金基體中，實現了原位合金化。更重要的是，經過特殊選擇的打印參數可以有效控制Fe、Cr等元素的濃度梯度和空間分布。這是一種前所未有的成分梯度組織。
這種微米級成分梯度帶來了三個有利影響。其一，合金元素濃度在空間上的調制帶來了相穩定性以及微觀組織在空間上的調制，從而形成了α’馬氏體和亞穩定β母相在三維空間中的周期性分布，并形成了熔巖狀的獨特微觀組織。其二，微米尺度上彌散且周期性分布的馬氏體-亞穩態母相的特殊雙相組織有效地提高了鈦合金的力學性能。相比于傳統增材制造鈦合金而言，具有微米級成分梯度的鈦合金一方面在拉伸過程中，亞穩定β相發生明顯的應力誘發馬氏體行為和相變誘導塑性，從而極大地改善了增材制造鈦合金的均勻變形和加工硬化能力，均勻延伸率提高了一倍以上；另一方面，高度彌散分布的超細馬氏體組織有效地維持了材料的高屈服強度（~1GPa），避免了傳統TRIP鈦合金低屈服強度情況的出現；其三，Fe、Cr等元素的添加對于增材制造鈦合金的晶粒細化起到了明顯的作用。這些合金化元素可以有效提升鈦合金凝固過程中的成分過冷能力，阻止了常規粗大柱狀晶的形成。因此打印態的TI64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸只有約16微米，是目前所有增材制造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一，
綜上所述，研究者創造性地將成分調制的概念和3D打印結合起來，另辟蹊徑地設計出具有微米級成分梯度結構的合金設計策略。本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性變廢為寶，成功用來設計成分非均勻的高性能合金材料，更是極大地開拓了增材制造技術的想象空間，使得這項技術不僅僅被用作復雜構件的成型技術，更可以被開發為一種全新的合金設計和制造方法，從而有力地推動增材制造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。
圖1 微米尺度成分梯度結構和由此產生的熔巖狀微觀結構。
圖2 Ti64-x316L的微觀組織和力學性能。其中Ti64-(4.5%)316L合金具有良好的強度-均勻延伸率組合�？估瓘姸雀哌_1.3 GPa的同時具有9%的均勻變形能力。
圖3 Ti64-(4.5%)316L合金在拉伸過程中產生應力誘發馬氏體，極大地提升了合金的加工硬化能力和均勻變性能力。
圖4 合金元素對材料成分過冷能力的影響。Ti64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸遠遠小于普通增材制造Ti64合金，有效防止了粗大柱狀晶粒的產生。
(責任編輯：admin)
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